ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Одним из важнейших направлений работы химических институтов являются экологические исследования. Изучение химического состава атмосферных аэрозолей и мокрых выпадений для малоисследованных районов Сибири имеет актуальное значение для уточнения факторов вещественного обмена в системе атмосфера — поверхность, трансформации и переноса вещества в атмосфере, в том числе для анализа возможных изменений климата и появления "кислотных дождей". В совместных работах Института неорганической химии с Институтом химической кинетики и горения СО РАН, начатых в 1992 году, получен обширный экспериментальный материал, обобщение которого позволяет выделить региональные особенности ионного состава атмосферных аэрозолей и мокрых выпадений. Они сводятся к повышенной доле литофильных катионов, характеризающих вклад почвенно-эрозионных процессов формирования компонент атмосферы, а также к различиям ионного состава аэрозолей и мокрых выпадений. На основании анализа пространственной и сезонной динамики долевого распределения ионов высказано предположение, что эти особенности связаны с воздушным транспортом солей наземного происхождения в южные районы Западной Сибири из регионов Северного Казахстана и Аральского моря (рис. 54).

Рис. 54. Ионный состав и процессы переноса сибирского аэрозоля.

Общеизвестно, что антропогенные изменения газового и аэрозольного состава атмосферы могут вызвать прогрессирующие изменения климата Земли. Для изучения этой проблемы работает множество мониторинговых станций по всему миру. Они поставляют данные как о состоянии естественного фона, так и об антропогенных источниках загрязнения. Сибирь, представляющая собой уникальное сочетание обширных неурбанизированных территорий и мощных индустриальных центров, до сих пор почти не изучена в этом отношении. Создание широкой сети стационарных мониторинговых станций — задача на сегодня невыполнимая по причинам экономического и технического характера. Выходом может стать создание небольшого числа мобильных лабораторий, базирующихся на наземных и воздушных транспортных средствах.

В ИХКиГ СО РАН на основе многолетнего опыта полевых и лабораторных исследований создана и запущена в эксплуатацию передвижная экологическая лаборатория на базе автомобиля высокой проходимости ЗИЛ—131. В термостатированном фургоне размещена аппаратура, позволяющая измерять газовые и аэрозольные примеси в приземном слое атмосферы. Регистрируются: дисперсный состав аэрозоля в диапазоне от 3 нм до 10 мкм, концентрация сульфатного и нитратного аэрозолей, газовые примеси — озон, окислы азота и серы, азотная и серная кислоты. Комплекс полностью автоматизирован, создание базы данных происходит в реальном масштабе времени. Он пригоден как для задач изучения фонового континентального аэрозоля, так и для изучения экологической обстановки в населенных пунктах.

          Рис. 55а.

За последние годы накоплен опыт работы в обоих направлениях. Так, рис. 55а иллюстрирует влияние смены воздушных масс на характеристики атмосферных примесей вдали от местных индустриальных источников. Видно, что воздушная масса, пришедшая с юга, содержит на порядок больше аэрозолей, чем арктическая. В то же время концентрация сульфатов в них практически одинакова.

          Рис. 55б.

На рис. 55б показаны примеры мониторинга атмосферы города. Слева "зимний смог", характерный для Новосибирска в морозную и безветренную погоду. Суточный ход загрязнения окислами азота приземного слоя воздуха (справа) очевидно связан с интенсивностью автомобильного движения.

За период наблюдений накоплена обширная база данных по Новосибирску и ряду пунктов Новосибирской и Томской областей.

Поиску новых компонентов твердых топлив, продукты горения которых оказывают минимальное воздействие на окружающую среду, уделяется большое внимание в России и за рубежом. В ИХКиГ СО РАН проведено комплексное исследование нестационарного горения циклических нитраминов, находящих широкое применение в современных ракетных и газогенераторных топливах. Особенности их горения обусловлены фазовыми переходами, соответствующими плавлению исходных кристаллов и их последующему испарению в реакционной зоне на горящей поверхности. С использованием разработанной в Институте оригинальной методики измерения реактивной силы продуктов сгорания изучены отклики скорости горения на управляющее воздействие внешним потоком теплового (лазерного) излучения. Это позволяет обоснованно прогнозировать поведение топлива в динамических режимах при случайных возмущениях давления в камере сгорания.

          Рис. 56a.

Впервые обнаружены в эксперименте при горении нитрамина в условиях атмосферного давления предсказываемые теорией периодические колебания скорости горения (рис. 56а).

          Рис. 56б.

Экспериментально установлено, что введение нитраминов в состав смесевого топлива приводит к сдвигу максимума функции чувствительности топлива к возмущениям теплового потока в область низких частот, характерных для собственных колебаний скорости горения нитраминов (Рис. 56б).

Совместно с Институтом вычислительных технологий СО РАН в этом же институте разработана детальная математическая модель нестационарного горения плавящихся и испаряющихся энергетических материалов. С помощью компьютерного моделирования изучены динамические режимы зажигания внешним потоком излучения и отклики на периодические возмущения теплового потока и давления. Дано объяснение экспериментально наблюдаемому эффекту беспламенной газификации плавящихся энергетических материалов при действии интенсивного потока тепла. Обнаружено, что при этом время пребывания газов вблизи поверхности существенно меньше характерного времени индукции химических реакций и, следовательно, пламя не может образоваться в ближней зоне.

Рис. 57. Диаграмма устойчивости зажигания
испаряющихся энергетичеких материалов
тепловым импульсом.

Модель используется для объяснения закономерностей горения практически важных монотоплив и при построении обобщенного механизма горения многокомпонентных смесей.

Фотосинтез — наиболее важный химический процесс в природе, от которого зависит жизнь на Земле. Механизм этого процесса, как сейчас это установлено, включает ряд первичных актов переноса электрона, развивающихся в наносекундном временном интервале, в так называемом реакционном центре (RC) фотосинтезирующих бактерий или растений (рис. 58а).

Рис. 58а. Строение фотосинтезного реакционного центра.

Несмотря на то что строение этих центров в некоторых случаях уже известно из рентгеноструктурного анализа, проблема временных и пространственных параметров "работы" реакционных центров фотосинтеза является одной из наиболее актуальных проблем современной химической физики.

Совместно с голландскими и японскими учеными в ИХКиГ впервые с помощью импульсной ЭПР-спектроскопии удалось определить расстояние R между димером хлорофилла (Р) — первичным донором электрона и одним из промежуточных акцепторов электрона-хиноном Q_A , в реакционных центрах фотосинтезирующих бактерий (R= 28,3+ 0,3 A) и растений (R = 25.3+ 0.3A). Эти результаты получены путем Фурье-анализа модуляции спада сигнала электронного спинового эха спинполяризованных короткоживущих радикальных пар (рис. 58б).

Рис. 58б. Модуляция спада сигнала электронного эха (а) и его Фурье преобразования (б) спинполяризованных короткоживущих радикальных пар (P₊..Q_-).

Вместе с кинетическими данными эта структурная информация открывает возможности для новых подходов при физико-химическом моделировании процессов фотосинтеза.

[В оглавление]

Go to Home Site

[Сл. стр.]