Много облаков парит над миром, много опускается на него, забирается в любую щелку. То, что мы называем обычно облаками, — ничтожная часть огромного, многоликого семейства облаков. У него, впрочем, есть и другое название: аэрозоли.

За последние десятилетия люди научились сами вырабатывать полезные аэрозоли. Все возрастающую роль играют теперь в жизни и в различных формах деятельности людей искусственно создаваемые облака тончайшей пыли.

Жидкое топливо перед сжиганием обычно механически распыляют, превращают в туман. распыленном виде сжигают также твердое пылевидное топливо и некоторые виды минерального сырья (колчеданы).

борьбе с вредителями и возбудителями грибковых болезней растений, а также с малярийными комарами применяются почти исключительно распыленные ядовитые вещества — инсектициды.

военной технике в большом ходу маскирующие дымы и туманы.

Врачи охотно прописывают больным ингаляцию — лечение путем глубокого вдыхания специальных лекарственных препаратов. Преимущество этого метода лечения — плотное осаждение лекарства в легких.

Специальные облака применяются в экспериментальной физике. Исследуя движение капелек в вертикальном электрическом поле, впервые точно определили заряд электрона и число Авогадро (см. стр. 140), а также решили ряд других физических задач (например, выяснили квантовую природу фотоэффекта, см. стр. 161). Явление образования тумана при конденсации пересыщенного пара на газовых ионах послужило основанием для создания распространенного физического прибора — камеры Вильсона.

Что же такое аэрозоли? Чем характерен этот мир и почему мы с описания его начали раздел, посвященный веществу?

Песчинку величиной в десятые доли миллиметра человек еще заметит невооруженным глазом. Молекулу в 5 миллионов раз меньшую он увидит только с помощью электронного микроскопа. А в этом колоссальном интервале укладываются размеры всех частиц аэрозолей.

Различают три вида аэрозолей.

Туманы — аэрозоли с жидкими частицами: природный туман, дождевое облако, туман, образующийся при распылении падающей воды. Частицы таких аэрозолей, как правило, шарообразны.

Пыли — аэрозоли с твердыми частицами, образующиеся при измельчении твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, сотрясений и т. д. К ним относятся угольная пыль, лёсс, цементный порошок и т. д. Под микроскопом пылинки выглядят как грубые обломки неправильной формы.

Дымы — аэрозоли также с твердыми частицами, но образованные не измельчением твердых тел, а конденсацией пересыщенных паров и в результате газовых реакций ведущих к образованию нелетучих продуктов вроде сажи. И формы и размеры дымовых частиц многообразны. отличие от пылинок, частицы дыма сплошь да рядом представляют собой рыхлые агрегаты, состоящие из значительного числа более простых частиц правильной кристаллической или шарообразной формы.

строении частиц аэрозолей много общего со структурой крупных тел. Пылинки, например, имеют ту же природу, что вещества, знакомые нам в обычной практике. ряде случаев мельчайшие частицы сохраняют даже свойственную данному веществу пластинчатую форму (слюдяная, шиферная и графитовая пыль) или форму волокнистую (асбестовая и текстильная пыль).

Поэтому частицы аэрозолей вполне можно назвать просто очень мелкими осколками обыкновенных крупных тел.

Изучение аэрозолей — хорошая подготовка к изучению больших масс твердых, жидких и газообразных веществ. С аэрозолей, несомненно, начался наш большой мир (макромир). Как бы ни произошли планеты (вопрос этот до сих пор еще не ясен), бесспорным остается то, что их массы «склеились» из аэрозолей. Поэтому, изучая эти крупицы вещества, мы приближаемся к решению загадки происхождения Солнечной системы. С другой стороны, в поведении очень маленьких частиц материи (но все же частиц макромира, а не микромира, как молекулы и атомы) раскрывается многое, с чем мы встречаемся в мире обыкновенных тел нашей практики. Это позволяет, как сказал английский поэт Уильям Блейк, живший на рубеже XVIII и XIX веков:

Как движутся аэрозоли?

Одной из наиболее важных особенностей большинства облаков, встречающихся в природе, промышленности и обыденной жизни, является то, что они в первый период своего существования движутся как одно целое. Воздух омывает их, словно морская струя киль корабля. Это удивительное явление. Не всякий человек объяснит сразу, почему облака не продуваются насквозь, хотя главное, что заполняет их объем, — это воздух или газ. Частицы занимают обычно лишь самую ничтожную долю объема. Например, в одном кубометре обыкновенных водяных облаков в среднем содержится только 1 грамм воды. Иначе говоря, суммарный объем частиц составляет всего одну миллионную долю полного объема облака.

Почему же воздух не проходит сквозь огромные «пустоты» между частицами?

Объясняется это так называемыми гидродинамическими взаимодействиями между частицами. Двигаясь в одном направлении, частицы увлекают за собой окружающую среду и создают в ней течение, которое, с одной стороны, порождает сопротивление проникновению в облако внешнего воздуха, с другой — уменьшает сопротивление движению частиц.

результате в объеме облака сохраняется та же газовая среда, что была в нем в момент образования. А плотные частицы облака в своей массе движутся быстрее, чем двигались бы отдельные из них.

Трагедия на острове Мартиника в конце концов объяснилась довольно просто. Сперва подземное газовое давление и высокая температура вытолкнули из кратера облако раскаленного пепла. Оказавшись на поверхности земли, облако, обладая плотностью более высокой, чем плотность воздуха, быстро скатилось вниз на город. Не будь удивительного свойства — целостности облаков, наружный воздух быстро выдул бы газ между частицами, около каждой раскаленной пепелинки образовалась бы нагретая и, следовательно, менее плотная воздушная оболочка. И пылинки, как на воздушных шариках, поднялись бы и рассеялись, постепенно остывая.

Интересна одна особенность тяжелых, оседающих облаков: верхняя их поверхность обычно бывает плоская. Это наблюдали как в лабораториях, так и на природных туманах.

И тут объяснение простое: при плотности аэрозоля, превышающей плотность граничащей с ним среды, гидростатические силы противодействуют нарушению горизонтальности верхней границы. Аэрозоли в этом случае ведут себя как жидкости.

Понятно, что стабилизация верхней границы будет наблюдаться только тогда, когда плотные частицы движутся как одно целое со средой, то есть при большой концентрации аэрозоля. Особенно устойчивыми оказываются поверхности аэрозолей, утяжеленные хлором, углекислотой и некоторыми другими газами.

И вот рисуется удивительная картина: «жидкость» (плотные частицы) не вытекает из «решета» (газовый объем аэрозолей). Природа переносит «жидкость» в «решете», а та не выливается!

Мы привели примеры деятельности, «жизни» облаков. Но все, что существует, возникает и гибнет. Как же возникают и как исчезают облака?

Нам уже известно, что большинство существующих облаков не пропускает через себя воздух, обдувается им снаружи. Но есть и продуваемые облака. Обычно это явление сопутствует процессу возникновения или процессу разрушения аэрозолей.

Вот порыв ветра скользнул по поверхности пустыни. Тотчас же зашевелились, пришли в движение песчинки. Те, что покрупнее, покатились по поверхности; помельче — запрыгали и потянулись за порывом ветра; мельчайшие приподнялись и больше не легли обратно: воздушные потоки подхватили и понесли их над землей. Прыжки и перекатывания больших песчинок вызывают действие, напоминающее цепную реакцию. То рикошетируя от слоя других песчинок и повторяя свой прыжок, то зарываясь в слой и передавая импульс другим частицам, которые, в свой черед, начинают подскакивать или перекатываться, песчинки дробятся и дробят встречающиеся им, постепенно увеличивая количество аэрозольной пыли.

Такая же приблизительно картина наблюдается и при выветривании почвы, и при пневмотранспорте сыпучих материалов, и в процессах, известных под названием «кипящего слоя». Здесь всюду налицо воздух (или другой газ), продувающий беспорядочно мечущиеся частицы; захват и перевод в аэрозольное состояние мельчайших из них; дробление относительно больших и хрупких частиц.

Обратное явление наблюдается в «зрелых», существующих аэрозолях. Важнейшим свойством является их недолговечность. Приходит срок, они «дряхлеют» и разрушаются. Одни частицы налипают на поверхности встречных тел (тем скорее, чем мельче частицы), другие слипаются между собой, или, как говорят иначе, коагулируют. Образуя хлопья сравнительно больших размеров (от нескольких десятых до целого миллиметра), они утрачивают взаимосвязь и выпадают на землю.

Причины коагуляции частиц аэрозолей до сих пор не выяснены до конца. Но, без сомнения, здесь влияет масса факторов: и взаимное — так называемое гидродинамическое — притяжение летящих частиц, и действие атмосферного электрического поля, и отталкивание частиц от нагретых поверхностей, и проявление так называемого броунового движения, и (для жидкостных аэрозолей) конденсация паров на ранее образованных капельках.

Прекрасной иллюстрацией того, как исчезает аэрозоль, является выпадение обыкновенного дождя. Может показаться странным, но причины столь привычного явления, как выпадение дождя, стали выясняться только в самые последние годы.

Дело в том, что образующиеся в результате конденсации пара облачные капельки обладают весьма ничтожными размерами — порядка 10 микрон (то есть сотых долей миллиметра). Такая маленькая частица не в состоянии упасть на землю, так как поток теплого воздуха без труда поднимает ее кверху. Но даже если что-нибудь и толкало ее вниз, она тысячу раз испарилась бы, прежде чем достигла земной поверхности. Чтобы водяная капля, выпав из облака, могла достичь земли, она должна была бы иметь радиус по меньшей мере около 100 микрон, то есть 0,1 миллиметра.

Но дождь все-таки идет. И капли воды, выпадая из дождевых облаков, имеют вполне значительные размеры — до 2–3 миллиметров. Почему?

Это происходит потому, что на мельчайших капельках воды в облаках конденсируется пар. Идет процесс коагуляции, усиливаемый движениями капелек и сталкиваниями их между собой, а также действием электрических зарядов капель. результате возникают два потока. Облако, как и прежде, под влиянием более высокой по сравнению с окружающей атмосферой температуры со скоростью до 10 м/сек поднимается вверх. Дождевые же капли со скоростью от 0,01 до 8–9 м/сек устремляются вниз.

Как-то в США появилась компания «по поставке дождя». Было объявлено, что отныне каждая ферма может заказать себе дождь в должном количестве и требуемой продолжительности.

Это было шарлатанство. Героями истории оказались охотники не за облаками, а за содержимым чужих карманов, умело сыгравшие на надеждах и ожиданиях людей.

Однако настоящая охота за облаками началась и уже дала вполне положительные результаты. Особенно больших успехов в этом направлении добились советские ученые. Так, еще с 1951 года аэрологи из Центральной аэрологической обсерватории начали применять практику «открывания» аэродромов, затянутых облаками. На самолете они подлетали к «закрытым» аэродромам Казани, Саратова, Арзамаса, Перми и других городов и, выпуская в облака несколько килограммов углекислоты, рассеивали их и открывали аэродромы для регулярных взлетов и посадок самолетов.

Теперь в Советском Союзе успешную борьбу с облаками ведут и в интересах сельского хозяйства. На Кавказе и в Молдавии проделывали интересные опыты: палили по градоносным облакам специальными ракетами из многоствольных установок, чем-то напоминающих знаменитые «катюши». Ракеты вводили в облака большое количество мелких кристалликов, не дававших дождевым каплям охладиться до града. конце концов опасные тучи рассеивались, и небо становилось чистым. Сады и виноградники были спасены.

Великое начинается с малого. Умение улавливать небольшие аэрозоли — первый шаг на пути к победе над облаками. быту и на производстве сейчас десятки остроумнейших ловушек подстерегают «малые облака», мешающие человеку работать или угрожающие его здоровью. Особенно распространены:

центробежные сепараторы, среди них так называемые циклоны, — аппараты, где отделение плотного от неплотного, твердых частиц от газовой среды производится при помощи закручивания аэрозолей и расслаивания этой среды на две вращающиеся сферы с разным удельным весом;

аппараты налипания, основанные на свойстве частиц прилипать к слегка охлажденным, особенно металлическим поверхностям;

фильтры тканевые и волокнистые — простейшая, но в то же время надежнейшая разновидность пылевых ловушек;

ванны-барботеры, приспособленные для промывания в целях очищения от пыли запыленных газовых потоков;

звуковые и ультразвуковые коагуляторы (буквально «слипатели»), в которых правильно подобранное акустическое облучение ускоряет процесс слипания частиц;

электрофильтры — аппараты, в которых склонность частиц к прилипанию усиливается во много раз их искусственной электризацией.

Из перечисленных ловушек всего эффективнее обычные тканевые или волокнистые фильтры. К сожалению, у них существенный недостаток: высокие сопротивления движению загрязненного потока.

Интересную идею разработал эстонский инженер Семен Лазаревич Эпштейн. Он предложил перегораживать путь движения аэрозолей в аппаратах не неподвижным фильтром, как обычно, а завесой из сыплющегося вниз тяжелого взвешенного порошка. Движение фильтрующих частиц увеличивает вероятность столкновения частиц аэрозолей с фильтром, то есть делает последний как бы более густым. то же время фактически между фильтрующими частицами остаются большие промежутки для прохода газа, а отсюда — незначительное сопротивление его движению.

Человек научился обуздывать и частицы покрупнее тех, что текут по трубопроводам и аппаратам. Ограничимся одним, но очень интересным и поучительным примером.

Страшен взрыв в каменноугольной шахте! Он быстр, внезапен и грозит большими бедствиями. Чем его остановить? Оказывается, это можно сделать с помощью аэрозоля.

Было установлено, что поднимаемая взрывной волной пыль (обычно известняковая) останавливает распространение взрыва. Важно лишь, чтобы применяемый для этой цели порошок хорошо распылялся. И вот стали делать так: добавлять к измельченному известняку полпроцента сажи. Сажа уменьшает силу сцепления известняка и улучшает распыляемость его при взрыве. Полученную смесь щедро рассыпали во всех местах, где могли скопиться газы или куда могла дойти взрывная волна.