بخشی از مقاله
چكيده
روشهاي سنتي پيرايش وضع هوا بر مبناي تاثير بر هسته ميعان ابر است؛ در حاليكه، روشهاي نوين پيرايش وضع هوا بر مبناي افزايش هسته ميعان ابر است. در روشهاي نوين پيرايش وضع هوا، استفاده از نانوذرات براي افزايش هسته ميعان ابر چالش اساسي است. در پژوهش حاضر، بهمنظور بررسي روند تبخير از نانوذرات سيليكا با اندازه متوسط كمتر از ٥٠ نانومتر و با ساختار بيشكل استفاده شده است. نتايج نشان مي دهد كه نانوذرات سيليكا در دماي نزديك به صفر درجة سانتيگراد، روند تبخير را كند ميكنند. بنابراين نانوذرات سيليكا مي تواند سبب افزايش هستههاي ميعان ابر شوند و در نتيجه روند تبخير را كند كنند.
١ مقدمه
ابرها حدود ٦٠ درصد از سطح زمين را ميپوشانند. ابرها نهتنها حائل تابش خورشيدي براي كنترل بودجه انرژي خالص و درجه حرارت در زمين هستند بلكه همچنين توليد كننده بارش كه براي حفظ حيات بر روي زمين ضروري است، ميباشند. تبديل بخارآب به فاز مايع يا جامد، روي برخي از ذرات موجود در جو بهنام هستههاي ميعان ابر اتفاق ميافتد. اين هستهها شامل هزاران ذره كوچك جامد و مايع شناور در جو هستند كه به آنها هواويز گفته ميشود. يك عامل حياتي براي تكامل ديناميكي و خردفيزيكي ابرها، فعال شدن هسته ميعان ابر است. پراسنجهاي اصلي حاكم بر ابر و رشد فعال سازي هستههاي ميعان اوليه قطرك ابر تعداد، اندازه و آبدوستي ذرات هواويز و همچنين سرعت جريان بالاسو در پايه ابر و در نهايت فوقاشباع بخار آب است
آيتكن در سال ١٨٨١ با آزمايشهاي متعدد به اين نتيجه رسيد تشكيل قطرات ابر، فقط با كمك ذرات گردوغبار صورت ميگيرد. و برخي از ذرات نسبت به ذرات ديگر مانند سديم كلريد، هستههاي بهتري هستند. استفاده از ذرات نمك براي هسته ميعان، توسط كوهلر - ١٩٢١ - انجام شد
چن و تائو در سال٢٠٠٠، ميعان بخارآب فوقاشباع با استفاده از ذرات نانومتري تيتانيمدياكسيد و سيليسيمدياكسيد را در يك محفظه ابر بررسي كردند. وابستگي فوقاشباع بحراني را بر اندازه ذرات با اندازه بين ١٥ تا ١٢٠ نانومتر، در دما در محدودهي ⁰C ١٠ تا ⁰C ٥٠ را بهطور تجربي بررسي كردند. نتايج نشان داد فوقاشباع بحراني با افزايش اندازه ذرات و يا افزايش دما كاهش مييابد و هرچه آبدوستي ذرات بيشتر - زاويه تماس كوچكتر - ، هسته زايي با سرعت بيشتري صورت ميگيرد
عبدالسيد و همكارانش در سال ٢٠٠٧، چگاليده شدن بخار تريفلور اتانول فوقاشباع بر نانوذرات منيزيم را بررسي كردند و نتيجه گرفتند نانوذرات بهصورت هسته ميعان در محيط فوقاشباع فعاليت ميكنند. و درفوقاشباعهاي بالاتر، اكثر نانوذرات Mg فعال ميشوند
يكي از مسائلي كه امروزه بشر با آن مواجه است نانوذرات در جو است. اين ذرات بهصورت مدارم در حال توليد هستند. بسته به تركيبات و اندازه، آنها از طريق اثرات گرمايش و سرمايش، اقليم جهاني را تحت تاثير قرار ميدهند. نانو ذرات به راحتي به ذرات بزرگتر متصل ميشوند، افزايش اندازه آنها و تغيير خواص آنها، به طور جدي بر خواص نوري و در نتيجه اقليم تاثير ميگذارد. اگر نانوذرات آبدوست باشند و رشد، براي جلوگيري از اتلاف توسط انعقاد، سريع باشد، آنها ميتوانند بهصورت هسته ميعان ابر عمل كنند و اندازهها، تعداد و طول عمر قطرات ابر را تغيير دهند، باعث پراكندگي نور خورشيد شوند و درنتيجه اثر سرمايش خالص را افزايش دهند
بهمنظور انجام تحقيقات برساختار ابر و چگونگي تاثير ذرات هواويز طبيعي يا مصنوعي بر بارش از محفظهاي بهنام محفظه ابر استفاده ميشود. در محفظه ابر، دما را ميتوان از دماي محيط تا ⁰C٣٠ - و رطوبت نسبي را از رطوبت نسبي محيط تا هر مقدار بيشينهاي كه شرايط محيطي اجازه دهد تغيير داد. سرعت بازگشت شفاف شدن به مقدار قبل از تزريق رطوبت، معياري از سرعت حد بلورهاي يخ است. پس مدت زماني كه طول ميكشد تا ميزان شفاف شدن در محفظه ابر به مقدار قبل از تزريق بخار بازگردد، ميتواند معياري از اندازة بلورهاي يخ باشد
شناخت انواع و فراواني ذرات نانو براي درك تغييرات در جو زمين بسيار مهم است. با توجه به اينكه در بين نانوذرات، سيليكا به دليل آبدوست بودن و ديگر ويژگيهاي خاص فيزيكي و شيميايي گزينه مناسبي براي باروري ابر است در اينجا اثر آن بر توسعه ابر بررسي ميشود. زاويه تماسي نانوذرات سيليكا در دماي K٣٠٠، ⁰٢⁰±٢٠ است. از آنجا كه جذب ناخالصيها مي تواند بهشدت روي زاويه تماس تاثير بگذارد و زاويه تماس ميكروسكوپي ممكن است متفاوت از مقدار ماكروسكوپيك باشد، اندازهگيري زاويه تماس ممكن است با آنچه كه ذرات در حين حذف در محفظه ابر دارند، متفاوت باشد
هدف اين پژوهش، يررسي كيفي و كمي تاثير نانوذرات سيليكا بهصورت پودر و محلول كلوئيدي بر روي ابر برحسب دما است.
٢ روش تحقيق
نانوذرات سيليكا - - SiO2 با جرم مولي٩٦/٥٩ گرم بر مول با چگالي ٤/٢ گرم بر سانتيمترمكعب با قطر ٢٠ تا ٣٠ نانومتر از هستن - ايالات متحده - خريداري شد. قبل از انجام آزمايش ها، سيليكاي موردنظر به مدت ٣ ساعت در دماي ⁰C ٨٠ در گرمكن قرار داده شد.
٢-١ مشخصهيابي نانوذرات سيليكا:
شكل و اندازه نانوذرات سيليكاي خريداري شده با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي شد - شكل١ - . بر طبق شكل، نانوذرات داراي اندازهي كمتر از ٥٠ نانومتر هستند و ذرات نسبتاً كروي شكل هستند.
شكل ١ تصاوير SEM از نانوذرات سيليكا
سپس با استفاده از پراش اشعه ايكس، ساختار بلوري آن بررسي شد - شكل ٢ - . همانطور كه در الگوي پراش اشعه ايكس ملاحظه ميشود پودر نانوذرات سيليكا ساختار بيشكل دارد.
شكل ٢ الگوي پراش اشعه ايكس از نانوذرات سيليكا
براي ارزيابي تاثير نانوذرات سيليكا بر روي توسعه ابر، آزمايشها در دو مرحله انجام شد. ابتدا با ورود بخارآب به داخل محفظه، ابر ايجاد شد. سپس در مرحله اول، تزريق پودر نانوذرات سيليكا به جرمهاي ٢/٠ و ٤/٠ گرم با استفاده از دستگاه دمنده به داخل محفظه ابر انجام شد. در مرحله دوم محلول كلوئيدي از نانوذرات سيليكا با غلظتهاي ٢/٠ و ٤/٠ مولار به محفظه ابر تزريق شد. تمام مراحل آزمايش در دو دماي ⁰C٥- و ⁰C١٥- ، تكرار شد. و تغييرات رطوبت نسبي محفظه پس ازورود نانوذرات برحسب زمان ثبت شد
شكل ٣ نمودار تغييرات رطوبت نسبي محفظه ابر برحسب زمان. نمودارسمت راست با تنظيم دمايي ⁰C ٥- و نمودارسمت چپ با تنظيم دمايي ⁰C ١٥ در دماي ⁰C١٥- با افزايش مقدار پودر نانوذرات سيليكا از ٢/٠گرم به ٤/٠گرم، شيب نمودار حاصل افزايش مييابد كه نشان از افزايش سرعت كاهش رطوبت محفظه است. اما افزودن محلول كلوئيدي در دو غلظت ٢/٠ و ٤/٠ مولار، آهنگ كاهش رطوبت محفظه رفتار دوگانه نشان ميدهد. در غلظت ٢/٠مولار ميزان سرعت كاهش رطوبت محفظه نسبت به نمونه شاهد كاهش يافته است اما در غلظت ٤/٠ مولار سرعت كاهش رطوبت محفظه افزايش يافته است. در دماي ⁰C٥-، سرعت كاهش رطوبت براي نمونهاي كه ٢/٠ گرم پودر سيليكا به محفظه ابر افزوده شده با نمونهاي كه محلول كلوئيدي با غلظت ٤/٠ مولار به محفظه تزريق شده مشابه هم هستند.
نكته جالب توجه اينكه، شيب نمودار هر دو نمونه قبل و بعد از زمان ٦ دقيقه متفاوت است. قبل از زمان ٦ دقيقه سرعت كاهش رطوبت كمتر از نمونه شاهد است اما بعد از گذشت زمان ٦ دقيقه سرعت كاهش رطوبت افزايش يافته است. نمونهاي كه ٤/٠ گرم پودر نانوذرات سيليكا به محفظه ابر افزوده شده با نمونهاي كه محلول كلوئيدي با غلظت ٢/٠ مولار استفاده شده است مشابه هم عمل كردهاند و هر دو داراي شيب نمودار يكسان هستند.
٣ نتيجه گيري
در اين پژوهش نانوذرات سيليكا از نظر اندازه و شكل بررسي شد. نانوذرات سيليكاي استفاده شده، داراي اندازه كمتر از ٥٠ نانومتر است و ساختار بلوري آن بيشكل است. همچنين افزودن نانوذرات سيليكا به صورت پودر و محلول كلوئيدي به محفظه ابر در دو دماي ⁰C ٥- و ⁰C ١٥- انجام شد. بعد از افزودن نانوذرات سيليكا، كاهش ابر در محفظه مشخص است.
