Лаборатория химической физики процессов в атмосфере и энергетике(Т002)

Научный руководитель, заведующий лабораторией: д.х.н. Ермаков Александр Николаевич  Scopus Author ID: 7006376407 h-index  11 E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. Тел.: +7(499) 137-2408

 Исследования объединяет изучение динамики и механизма значимых химических превращений в атмосфере и энергетике, базирующееся на фундаментальных знаниях о строении вещества, термодинамике и химической кинетике.

 Группа химической физики атмосферы:

  Основные сотрудники: д.ф.-м.н., профессор Ларин Игорь Константинович, к.х.н., ведущий научный сотрудник Трофимова Елена Матвеевна, научный сотрудник Белякова Татьяна Ивановна

 Основные направления работ:

  Исследования группы посвящены экспериментальному и теоретическому изучению процессов, играющих определяющую роль в химии атмосферы и оказывающих влияние на климат Земли и содержание озона в стратосфере и мезосфере.

Рис. 1. Относительный вклад циклов в % в разрушение озона	Рис. 2. Фотолиз CF2ClBr. Спектры CF2ClBr и продуктов фотолиза в зависимости от времени фотолиза. 1-0, 2-960с, 3-2400с, 4-4800с, 5-7200с, 6-9600с, 7-11520с, 8-откачанная кювета.

 Используемые методы исследования:

• Для измерения констант скорости реакций радикала OH и атома кислорода O(³P) с углеводородами, содержащими атомы галогенов (фреонами), использовалась струевая разрядная методика с регистрацией активных радикалов методом ЭПР. Определены времена жизни исследованных фреонов и оценены ODP (Озон Разрушающие Потенциалы) этих веществ.
• Для изучения реакций галогенов и оксидов галогенов, участников каталитических циклов разрушения озона в атмосфере, создана кинетическая установка, позволяющая с высокой чувствительностью (до ~10⁷ см^-3) регистрировать атомы хлора и йода методом резонансной флуоресценции.
• Фотолиз углеводородов, содержащих атомы брома, которые могут использоваться для тушения особо опасных пожаров, например, в самолетах, на военных кораблях и на космических станциях.
• Расчеты скорости гибели нечетного кислорода O_x (O₃, O(³P) и O(¹D)) и длин цепей разрушения озона в каталитических циклах O_x, HO_x, NO_x, ClO_x и BrO_x с применением интерактивной радиационно-химической двумерной модели SOCRATES, в том числе с участием частиц слоя Юнге. Влияние глобального потепления на атмосферное время жизни нечетного кислорода O_x. Январь - июнь 2000-го - 2100-го годов с учетом сценария Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) RCP 4.5 и RCP 6.0.

Рис. 3. Зона регистрации РФ атомов хлора и йода

 Избранные публикации:

Группа гетерогенных химических реакций в атмосфере:

Атмосферные аэрозоли, рассеивая и поглощая солнечное излучение, оказывают влияние на радиационный баланс планеты и климат. Принимают они участие и в гетерофазных химических реакциях, что сказывается на содержании малых газовых примесей. Так, фотоокисление эмитируемых с подстилающей поверхности оксидов азота и серы и др. с участием облачных капель в тропосфере сопровождают кислотные выпадения, пагубно воздействующие на окружающую среду. В нижней стратосфере присутствие аэрозольных частиц критически сказывается на содержании стратосферного озона; наблюдаются эпизоды его катастрофического разрушения (озоновые дыры). Сказывается присутствие аэрозолей в приземной атмосфере и на здоровье людей.

  Основные сотрудники: д.х.н. Ермаков Александр Николаевич, к.ф.-м.н., доцент Прончев Геннадий Борисович, ведущий инженер Попов Владислав Николаевич

 Основные направления работ:

• Атмосферная химия в части исследования процессов формирования частиц аэрозоля и химических реакций с их участием. 3D моделирование распространения в атмосфере многокомпонентных газовых и аэрозольных микропримесей.
• Горение нано порошков алюминия, математическое моделирование.

Атмосферная химия

Используемые методы исследования:

 Систематизация и обобщение данных о кинетике и механизмах фотохимической и каталитической с участием ионов переходных металлов трансформации серу и азот содержащих соединений в атмосфере. Создание адекватных кинетических моделей этих превращений в атмосфере. Валидация  моделей на основе сравнения с результатами лабораторного моделирования и данными мониторинга атмосферы. Интеграция суммы этих знаний в пакет программ для количественных расчетов загрязнения атмосферного воздуха газовыми примесями и микрочастицами минерального и органического происхождения. Совместные с ИВМ РАН численные 3D расчеты пространственно-временного распределения газовых и аэрозольных микропримесей в атмосфере в региональном и глобальном масштабах. В качестве примера на Рис. 5 приводится рассчитанная картина распределения счетной концентрации наночастиц сульфатного аэрозоля на высоте 250 м (мода 16 нм) в Байкальском регионе. Их источником выступает конденсация паров воды и серной кислоты, возникающих при фотохимическом и каталитическом окислении SO₂. Найдено, что численные расчеты массового содержания аэрозоля, ионного состава частиц и их спектрального распределения находятся в согласии с данными натурных измерений. На Рис. 6 представлен пример расчетов глобального распределения счетной концентрации сульфатных частиц слоя Юнге на высоте 10.4 км (мода 13 нм). Расчеты показали, что структура распределения их счетной (м^-3) и массовой (мкг/м³) концентраций, а также их спектральное распределение в нижней стратосфере определяются в основном уровнем инсоляции, температурой и относительной влажностью воздуха. При этом численные значения концентраций частиц в целом воспроизводят данные наземных, зондовых, самолетных и спутниковых измерений содержания частиц, контроля их состава, фазового состояния и спектрального  распределения.

Рис. 5. Региональная картина распределения счетной концентрации аэрозольных частиц, м-3, над Байкальским  регионом спустя 12 часов после инициализации 3D модели. Высота над подстилающей поверхностью 250 м, радиус частиц 16 нм.  1. Шелехово, 2. Иркутск, 3. Ангарск,  4. Байкальск, 5. Усолье. Совместно с ИВМ РАН.	Рис. 6. Сульфатный аэрозоль в нижней стратосфере (слой Юнге). Высота над подстилающей поверхностью 10.4 км, радиус частиц 3 нм. 3D расчеты. Глобальная картина распределения  счетной концентрации частиц (м-3) спустя 48 часов после инициализации модели, январь 2002. Совместно с ИВМ РАН.

 Избранные публикации:

Горение нано порошков алюминия

Используемые методы исследования: 

 Совместно с группой химической физики энергоаккумулирующих гетерогенных систем проводятся исследования механизма сгорания мелкодисперсных порошков металлического алюминия в водяном паре. Построена модель сгорания нановзвесей алюминия с учетом суммы процессов: гомогенной нуклеации газовых молекул Al₂O₃, конденсационного роста и коагуляции частиц к-фазы и химических процессов в газовой фазе и на поверхности частиц металла и к-фазы. В качестве примера на Рис. 7 показаны результаты расчетов влияния малых добавок кислорода (мольная доля 1-3 %) на динамику сгорания наночастиц алюминия в водяном паре. Они указывают на резкое ускорение процесса сгорания, вызванное ускорением наработки  предшественника частиц к-фазы – AlO.

Рис. 7.

 Избранные публикации:

Группа динамики элементарных процессов:

  Основные сотрудники: д.ф.-м.н. Русин Лев Юрьевич, д.ф.-м.н. Севрюк Михаил Борисович, д.ф.-м.н. Азриель Владимир Михайлович, к.х.н. Акимов Вячеслав Михайлович, к.ф.-м.н. Колесникова Любовь Ивановна, к.ф.-м.н. Ермолова Екатерина Владимировна, инженер Кабанов Дмитрий Борисович

Основные направления работ:

 Исследование динамики элементарных химических реакций состоит в установлении их механизмов, т.е. совокупностей взаимодействий каждого из участвующих в процессе атомов, ионов, радикалов или молекул, приводящих к образованию конечных продуктов изучаемой реакции. В основе таких работ лежит построение поверхности потенциальной энергии (ППЭ), на которой реализуются в виде отдельных траекторий (если квантовые эффекты не очень существенны) все возможные в рассматриваемой системе взаимодействия участвующих частиц. ППЭ должна быть тестирована на системе, допускающей экспериментальную проверку, например, в скрещенных молекулярных пучках.

 Таким образом, динамическая информация позволяет определить роль каждого из кинематических параметров, присущих рассматриваемой системе, которые можно разделить на глобальные (например, энергия столкновения и прицельный параметр) и локальные (например, относящиеся к двухатомному реагенту).

 Динамические расчеты можно разделить на статистические, в которых рассматриваются более или менее значительные диапазоны изменения кинематических параметров и участвует большой массив траекторий, и детальные, в которых каждая траектория рассматривается при строго заданных кинематических параметрах.  Ниже в качестве примеров приведены некоторые результаты динамических исследований.

Рис. 8. Сравнение экспериментально определенной (точки) функции возбуждения процесса CsF + R -> Cs+ + F– + R, где R = Xe, с результатами траекторного моделирования на диабатической ППЭ (кривая).	Рис. 9. Функция возбуждения рекомбинации ионов Cs+ и F– в присутствии атомов Ar в качестве третьего тела.	Рис. 10. Индивидуальная траектория реакции рекомбинации ионов Cs+ и J– в присутствии атома Xe в качестве третьего тела. Кривые 1, 4 и 5 — графики попарных потенциалов взаимодействия между частицами в эВ: 1 — ионов Cs+–J–; 4 — иона цезия с третьим телом; 5 — иона галогена с третьим телом. Кривая 2 — это зависимость от времени вращательного момента ионной пары, 3 — энергии относительного движения третьего тела и ионной пары в эВ, 6 — полной потенциальной энергии системы в эВ. Изображена также критическая конфигурация системы трех частиц.

Избранные публикации:

Группа химической физики энергоаккумулирующих гетерогенных систем:

  Основные сотрудники: К.ф.-м.н. Ларичев Михаил Николаевич

Основные направления работ:

• Исследование релаксации квазиравновесного состояния вещества и протекающих процессов самоорганизации материи (на примере перегретого и переохлажденного расплавов Al₂O₃, образующихся в результате воздействия мощного лазерного излучения на сапфир (Al₂O₃)). Разработка основ технологии получения кислорода и металлического алюминия на поверхности Луны из лунного грунта риголита.

Рис. 11.

Рис. 12.

Рис. 13.

• Разработка принципов управления процессом окисления металлов водой для создания безопасных экологически чистых источников газообразного  «голубого» водорода, вырабатывающих Н2 в необходимых для использования количествах в местах непосредственного потребления (химически активные металлы как концентраторы энергии (на примере алюминия)). Повышение экономической привлекательности процесса за счет синтеза твердых оксидов с уникальными потребительскими свойствами. Разработка  Al частиц с оксидной оболочкой для 3D печати металл-оксидных композитов, в том числе пространственно-упрочненных и функционально-градиентных  композитов (ФГК).

Используемые методы исследования: 

Избранные публикации: