人类和自然产生的对流层气溶胶在气候演变方面的影响.doc

人类和自然产生的对流层气溶胶在气候演变方面的影响 田申，曹江河,胡玉梅,李君婷,田申,徐治乙,杨阔在我们组同学的共同努力下，终于完成了论文，请老师指教，我们组同学在这个过程中通力协作，大家都很努力，投入，为这篇文章贡献了自己的力量。 令附上翻译。 组长 ：田申分工：组长：田申 总论文撰写（其中徐治乙负责第三部分，李君婷胡玉梅完成第4。1部分）及翻译英文、ppt1-3部分，组员：曹江河李君婷胡玉梅负责PPT中4-8部分 徐治乙负责PPT,总论文第3部分及演讲 杨阔,徐治乙负责翻译录入及修改李君婷胡玉梅负责总论文4.1，英文4-8部分翻译1 文章摘要（部分来自译文）气溶胶通过改变大气辐射、改变生化循环中的营养物质及移动有毒物质来影响气候。自然物质是造成矿物灰尘、海盐和高浓度MSO4气溶胶的主要原因。人类对对流成气溶胶的影响主要体现在对流层中的MSO4、NO3和CO2及C的气溶胶上。然而，仅仅全球的气溶胶（质量），不能很好的评估不同类型的气溶胶对气候的影响。相对的，一些小的未被吸收的微粒，像（NH4）2SO4盐和硝酸盐能有效地分散太阳辐射并起到冷却地球的作用。像C和矿石灰尘等一些吸收微粒在另一方面会引起温室效应，特别当它们存在于低空和地面表层时。关于气溶胶对吸收大气辐射的全面影响还不确定，因为关于气溶胶光学性质和时空分布的精确资料还不完全。目前估计人类造成的气溶胶对对流层会造成-0.5瓦特/平方米的影响。气溶胶还会改变云的构成和光学性质。这种影响被发现会对地球的热辐射有消极作用，但这更难量化。估计范围在0-1.5瓦特/平方米。那些广泛的分散并且可能达到上对流层和平流层的颗粒物对气候有重要影响。气溶胶的存在被认为是尽管温室气体大量集聚而地球表面温度只是适度上升的原因。尽管众所周知，颗粒物能分散太阳光并可能吸收热和辐射。但从总体上，气溶胶的总量与全球大气受到的太阳辐射之间的关系还不确定。在考虑到短和长时间的气溶胶颗粒分散并将太阳辐射在被吸收前反射回宇宙时，可推断全球将变冷。气溶胶颗粒同样是云的凝结核。大量的小气溶胶颗粒将导致云中的水分散到更多更小的云滴中。小云滴能分散更多的入射光，气溶胶能直接引起大气层的降温。然而煤灰和大量的矿石灰尘将吸收热和辐射并且有将能量挡在低空大气的潜在能力。颜色浅的表面有高反射率（沙漠、雪）或者云会将辐射反射回。煤烟和矿石灰尘会加重温室效应，使地球增温。气溶胶颗粒是由不同的含盐物质、矿物、有机成分及水组成的复杂物质。这使人们很难估计它们对气候的影响。另外，有些颗粒物仅仅存在几天，而有的温室气体存在时间很长，因此全球气溶胶平均的集中趋势很难量化和模拟。源头还不清楚。人类活动所造成的气溶胶的影响是值得研究的。2 气溶胶概述。 21 气溶胶的定义 气溶胶是漂浮在空气中的固体或液体的颗粒物与大气组成的多相系统。颗粒物粒径多是在0.002-10m范围内。 22 气溶胶的分类 221 按成分来源分：a 由自然物质组成的：如由矿物灰尘、海盐和高浓度硫酸盐所组成的气溶胶 。 b 由人类造成的：对流层中的MSO4、MNO3和CO2及C的气溶胶。 222 按颗粒污染物成因分： a 分散性气溶胶：是指固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中而形成的。 b 凝聚性气溶胶：是由气体或蒸汽（其中包括固态升华而成的蒸汽）遇冷凝聚成液态或固态微粒形成的。 223 按凝聚状态不同分： 1）固态气溶胶烟和尘 它们是由矿物粉碎加工和燃料燃烧产生的固体颗粒物形成的。如煤烟（碳粒）、冶炼厂的氧化铁烟粒、有汽车排放出的铅化合物烟气等。烟类气溶胶多由高温升华、挥发的蒸汽凝结或不完全燃烧过程形成，故一般颗粒较小，在0.11微米之间。而粉尘多由机械作用过程产生，如固体物料的输送、粉碎、研磨、装卸过程中产生的颗粒物及岩石、土壤风化产生的颗粒物，粒径一般较大，在176微米之间。 2）液态气溶胶雾 由液滴分散在空气中而形成，直径在230微米之间。 3）固液混合气溶胶烟雾 由煤尘、二氧化硫和浓雾相混合并伴有化学反应形成烟雾叫煤烟型烟雾；有碳氢化合物和NOx通过光化学反应形成的叫石油型烟雾。它们统称化学烟雾。微粒粒径小于1微米。23 气溶胶的成分及来源 231 气溶胶的成分气溶胶的主要成分有矿石灰尘、海洋盐类、化石燃料的残余物、碳氢化物、硫酸盐及硝酸盐颗粒等。在某些地区也可能包含有火山灰、生物碎片、硝酸盐和工业灰尘等物质。其中矿石灰尘又是最主要的成分，它是由于地表的风蚀作用而形成的大小不等的岩石颗粒。偶然性的巨大的矿物性沙尘，细小颗粒及碎片会在高空中从一个大洲传到另一个大洲，从而引起气溶胶的扩散，故人为沙漠化是产生气溶胶的重要原因。另外海洋盐类是指由海洋浪花飞溅产生的气溶胶。它的特点是由于海洋气溶胶产生在低海拔并且颗粒很大，它们的寿命很短，会很快沉积下来。化石燃料的残余物所形成的气溶胶是指火山灰和人为的煤烟在燃烧及之后的一小段时间内形成初级的气溶胶。除了家中、交通和工业上的燃煤、油、气之外，在热带地区人为的燃烧生物也应该着重考虑。碳氢化合物在化学转化过程中聚集形成了碳的有机化合物，聚集常发生在已经存在的颗粒物上，之后它们牢固的与自然界中不同种类的颗粒物相混合，进入大气中，从而形成的一种气溶胶。硫酸和硝酸盐颗粒会导致在大气中散发含硫或氮尤其是它们的氧化物的化学过程的加剧。大气中颗粒的形成使它们形成了次生气溶胶。具体成分见表1污染源气溶胶量(106t/a)天然源认为源一次粒子燃煤产生飘尘360炼铁90木材燃烧80石油燃烧20垃圾燃烧40农业废物100水泥工业70其他160海盐粒子1000土壤粒子200火山40森林火灾200小计1404920二次粒子H2S变成的硫酸盐202SO2变成的硫酸盐147NOx变成的硝酸盐43030NH2变成的铵盐269H气体变成的有机气体19827小计1099204总计2503296 表1232 气溶胶的来源 气粒转化过程是大气气溶胶的一种重要来源，又可分为两类：一是均相成核过程，而是非均相异质凝结过程。成核过程包括均相均质成核和均相异质成核。前者是指单一分子组成的气相物质形成有分子组成的稳定的液相或固相胚粒。后者是指由多种分子组成的混合气体形成有两种或多种不同分子组成的液相或固相胚粒。非均相异质凝结过程是指气体分子在已有粒子表面上沉积、凝结造成的粒子长大过程。大气微量气体高挥发性的 吸附大气气溶胶系统 化学反应气相产物低挥发性成核作用 吸附临界尺度核 碰并大尺度核 混合碰并 气-粒转化流程示意图大气中最常见的气粒转化现象使水汽的凝结和凝华，实际大气中总是存在足够的原生粒子拱饱和水汽在其表面沉积、凝结。气粒转化的另一种途径是气相物质直接被固体或液体粒子吸收或吸附（与凝结不同，不发生相变），然后在粒子表面或粒子内部发生化学反应转化成异质液相或固相物质。与气粒转化过程相反，大气中也会发生颗粒态固相或液相物质转化成气相物质的过程。例如，气溶胶粒子中的氯化物可与大气中的酸性物质发生反应生成氯化氢气体，这是气溶胶对降水酸度影响的重要机制之一。24 气溶胶的寿命 这一点对气候的影响很重要，寿命长的气溶胶对全球气候将有长期的影响。一般来说，温室气体的寿命较长。 大气气溶胶粒子的平均寿命定义为大气气溶胶粒子在大气中的稳态总质量与粒子物质的总数如通量之比。区其他大气微量成分一样，寿命的定义只有在准静态的条件下才能完全确定。 气溶胶粒子的寿命首先取决于它本身的化学组成和浓度谱分布，其次是其所处的高度和局地天气情况。吸湿性粒子容易成为凝结核，被云雾江水清楚的可能性较大，粒子寿命相对较短。直径在0.0010.1m范围内的趋细粒子很快通过布朗碰并转变成较大粒子。直径在0.1-10m范围内的粒子主要靠降水冲刷和重力沉降作用清除，他们在大气中的寿命最长。 降水也能加速大粒子的清除过程，使其寿命简短。所处高度和周围大气状态对气溶胶粒子的寿命影响也是显而易见的。除了直径在0.0010.1m范围内的极小粒子之外，所处位置越高，粒子沉降到地面所需时间越长，粒子寿命也越长。3 气溶胶的运动过程及作用机制31 气溶胶的运动的总体趋势 从全球来说，气溶胶的运动是趋于集中的，这种趋势能在近几十年的阿尔卑斯山和两极的关于冰的档案中观察出。由于化石燃料的广泛应用，阿尔卑斯山上的冰中MSO4的含量增加了10倍。 例如北非分布有矿石灰尘造成的云，这种现象被认为与一种大规模的气候指标有关北大西洋涛动指数。矿物灰尘的沉积物被发现在南极冰盖的核心部分有所增加，这说明了在气候和矿物灰尘之间有一种重要联系，这种联系已被揭示。养分，如氮和一些小分子营养物质，如铁，能改变大范围生态系统的能量平衡。营养物质影响像遥远的海洋、沼泽地这样的生态系统是通过大气中的气溶胶的干湿沉积作用的。32 气溶胶运动的机制321 典型的垂直湍流扩散机制1扇形扩散:烟尘的扇形扩散是一种逆温层内部的典型的大气扩散特征。2熏烟型扩散：这种垂直扩散现象的典型状态发生在上午逆温辐射逆温消散的过程中。3环链型扩散：在温暖的季节，天空晴朗的中午前后，经常可以观察到这种效应。4锥形扩散：发生于垂直温度梯度处于等温和绝热之间的情况下。5屋脊型扩散：发生在辐射逆温正在形成和加厚的期间。3 。22 气溶胶的水平运动a 从陆地到海洋:陆源气溶胶可以被气流输送至数千公里之外。非洲撒哈拉沙漠的沙尘可被输送到欧洲和北大西洋。当中国西北地区发生沙尘暴时,在一定的气象条件下,黄沙可以进入中对流层而被气流向东输送,经过中国、韩国、日本,直到太平洋.化学物质到达海洋可以通过多种途径, 在过去的20a中,人们逐渐感到大气也是陆地许多天然或人为污染物输入的重要途径。 b 从海洋到陆地： 一般认为,空气动力学直径大于1的海气溶胶粒子在重力和湍流的作用下,其浓度会以指数形式衰减,所以海盐气溶胶在随海洋气团进入陆地的过程中会迅速从大气中去除,其空间尺度大约为10。4 气溶胶对气候的影响 41 由于气溶胶造成影响的现象 411 由人为因素造成的气溶胶 人类活动增加了大气气溶胶的含量，这些气溶胶包括硫酸盐颗粒和黑碳（煤烟），由于它们在大气中的寿命很短，分布具有不均衡性。由于硫酸盐颗粒将太阳辐射散射回外层空间，从而在一定程度上减缓温室效应。最近由于“洁净碳技术”和低硫燃料的利用，使得硫酸盐浓度逐渐降低，在北美这一作用更为明显，但也降低了其对温室效应的抵消作用。黑碳气溶胶是生物燃烧（森林火灾和秸秆焚烧）以及化石燃料不完全燃烧的最终产物，它们直接地影响太阳辐射的收支。412 自然因素a 初级的气溶胶的形成因素： 火山灰和人为的煤烟在燃烧及之后的一小段时间内会形成初级的气溶胶。除了家中、交通和工业上的燃煤、油、气之外，在热带地区人为的燃烧生物也应该被着重考虑。b 次生气溶胶的形成因素：碳氢化合物在化学转化过程中聚集形成了碳的有机化合物。聚集常发生在已经存在的颗粒物上，之后它们牢固的与自然界中不同种类的颗粒物相混合。硫酸和硝酸盐颗粒会导致在大气中散发含硫或氮尤其是它们的氧化物的化学过程的加剧。大气中颗粒的形成使它们形成了次生气溶胶。把所有这些情况汇总来看，由人为造成的气溶胶仅占全球气溶胶的10%，但是细小颗粒（如硫酸盐、碳化物）在吸收了煤烟之后在光学上的影响会变得很大。由于这种光学（和辐射）影响在工业化地区，天空能见度也会降低，导致天空颜色由深蓝变浅蓝。 另外，气溶胶还会改变云的构成和光学性质。这种影响被发现会对地球的热辐射有消极作用，气溶胶颗粒是云的凝结核，大量的小气溶胶颗粒将导致云中的水分散到更多更小的云滴中。小云滴能分散更多的入射光，气溶胶能直接引起大气层的降温。然而煤灰和大量的矿石灰尘将吸收热和辐射并且有将能量挡在低空大气的潜在能力。 42 气溶胶对气候的直接与间接辐射强迫 421 气候变化与辐射强迫 气候变化由地气系统的辐射平衡状况决定。气候可以因太阳短波辐射及地气系统长 波 辐射的变化而变化。辐射强迫的标准定义是大气中某一成分的改变所引起对流层顶净辐射通量（Fo）的变化(以W/ m2为单位)。 气溶胶粒子对气候系统的辐射平衡有重要影响。气溶胶对气候的影响可分为两大方面,即直接辐射强迫影响和间接辐射强迫影响。422 直接辐射强迫直接辐射强迫指大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射及地面射出长波辐射从而影响地-气辐射收支。气溶胶的辐射强迫是双向的，它可以把太阳辐射向太空中散射，形成负辐射强迫使地表降温；也可以吸收由地面而来的长波辐射，形成正辐射强迫，从而使地表升温。模式计算表明,人类活动引起大气气溶胶增加会使地球表面降温, 气溶胶加引起的地面变冷趋势可部分抵销温室气体增加引起的地表温度上升。由于这种两面性，气溶胶对气候系统的影响是很复杂的，它对全球尺度辐射收支的影响至今还没有可信的定量结果。这一方面是因为气溶胶本身的空间分布和时间变率比寿命长的微量气体（如CO2复杂的多，另外是因为它对辐射传输过程的影响也不像气体成分那样简单。气溶胶对辐射传输过程的影响不仅取决于气溶胶本身的物理化学特性（包括粒子的尺度、形状、浓度及化学组成等），还取决于边界条件（如下垫面的光学性质和热力学性质）和气溶胶曾所在的位置。气溶胶不仅影响红外辐射的传输，也影响太阳短波辐射。它的增加可能使地表和低层大气增温，也可使地表和低层大气降温，这要看它本身的光学特性和气溶胶增加量所在的位置以及下垫面的特征和大气的状态。研究气溶胶对气候的直接影响可把问题归结为考察地表有效反射率的变化。气溶胶对地气辐射收支的影响主要取决于它的一次散射反照率0和散射不对称因子g，（o反映气溶胶散射消光的能力，g反映前向散射能量的大小）。一般的，o增大，g变小意味着地表有效反射率的增加，地表和低层大气可能降温；反之亦然。当然还要考虑它对红外辐射传输的影响和地面的状况。地表的反照率（A）即为被地表吸收的辐射与入射辐射之比。入射太阳辐射（通量=Fo），有定义可，表面的吸收为（1-A）Fo，其反辐射为AFo。前者用于加热大气，后者损失与空间中。气溶胶层对入射辐射有前向散射和后向散射并且能吸收辐射，在讨论通量时，可不管前向散射，因这仅是强度再分布，而后向散射相当于反射。在这类问题中，常论及“光学厚度”以量表示e-是入射辐射中的透射部分，（1-e-）是被散射和吸收的部分，后面这一部分中散射部分所占的比例为一次散射反照率，以a表示。前向散射辐射与入射辐射之比用g表示。经过查阅资料，我们发现气溶胶影响气候的具体量化式需要大量的数学推导，而我们现在的数学知识还达不到。这里只能给出结论。在排除相互作用和反馈的问题后，对于气溶胶的增加是会引起大气净加热还是冷却仍不好解决。地表的反照率（A）还与t（气溶胶透过率），r（气溶胶反射率）有关。经过繁琐的计算，在s.图梅的书中得到使气溶胶的作用为增温所需的必要条件是：对于A=0.75,r/(1-t)0.93(近似)；或者，对于A=0.1,r/(1-t)0.15。对于较小的光学厚度，可推出，当A=0.75时，出现增温的条件时a约0.98；当A=0.1时，为a约0.15。上面没有考虑上分子散射，认为气溶胶层是仅有的散射体和吸收体，而分子散射确实存在的。这将导致、g等值的变化，这些变化加在一起，气溶胶对辐射的吸收是会增多还是减少，这还没有定论。总之，当A很高时，气溶胶代表了一种加热效应。而海面A=0.1时，这种环境中的情况还不确定。423 间接辐射强迫气溶胶粒子是大气中水汽凝结或冻结的核心，如果大气非常纯净没有杂质，水汽的同质凝结过程要求相对湿度达百分之几百，纯净水滴冻结成冰晶也需要-30-40摄氏度的低温。因此大气中没有气溶胶粒子充当凝结核和冰晶，成云致雨过程几乎是不可能发生的。另外，小云滴的浓度基本上是由气溶胶决定的（特别是水云，有空气中云核含量而定）。云核浓度进一步影响到云的光学厚度，从而影响云的反照率（云稀薄时，云核含量对反照率影响最大），进而影响太阳辐射到大地表的总量，可见气溶胶对气候的变化的影响一部分是通过云来实现的。气溶胶浓度变化会影响云的形成,而云的变化反过来对气候有巨大影响。气溶胶粒子的存在是云形成的前提,在现代地球大气的温湿条件下,如果没有气溶胶粒子,将永远不会形成云。(因此,气溶胶粒子增加导致凝结核增多，云滴数量增加,而云的增加总的来说是阻挡住了来自太阳的辐射，使地表降；,另外云的增加可能引起降水增加,进而影响地表湿度和植被，改变地表反照率，植被数量的增长改善了当地的地表形态，既降低了反射率，增加地表空气湿度，降低温度，从而影响气候。） 这一连串的间接影响至今尚无定量计算,是研究气溶胶对气候影响的一个重要的课题。 5 气溶胶对其它方面的影响 气溶胶进入人体组织，其危害性取决于其化学成分的毒性，如硫酸和硫酸盐容易被吸入肺部，引起呼吸困难，若大气气溶胶吸咐其它有毒物，其危害性就更大。此外，小颗粒气溶胶对气象及电器设备有明显影响，大颗粒气溶胶与视程、辐射、航天及酸雨的成因有密切关。6气溶胶的污染与预防措施 61 气溶胶污染给人类社会及生存环境带来的危害 大气颗粒中，粒径大于10微米的降尘约占25%，其余为飘尘。清洁的大气中含飘尘1020g/m3，目前居民区大气飘尘浓度已达40-400g/m3。降尘在空气中停留时间短，对人类危害不大；而飘尘由于颗粒小，能在大气中长期飘浮，可将污染物带到很远的地方，导致污染范围的扩大，飘尘表面还往往为大气中的化学反应提供场所。可吸入的飘尘（可吸入颗粒物）因其直径不同而滞留在呼吸道的不同部位。大于5m的滞留在上呼吸道。小于5m的多滞留于细支气管和肺泡。0.01-1m的在肺泡内沉积率最高。 飘尘由于颗粒小，表面积大，具有较强的吸附能力，有害物质如二氧化硫、多环芳烃分子、亚硝胺分子、石棉纤维等，均能为飘尘吸附。进入呼吸道后，飘尘与有害物质产生联合作用，孙上粘膜、肺泡，引起支气管和肺部炎症，长期作用导致肺心病死亡率增高。大到肺部的有毒物质，一方面进入血液系统或淋巴系统，影响身体各部位，另一方面可扩散转移到其他器官。 侵入人体深部组织的粒子的化学组成不同对健康产生不同危害，如煤烟中附有各种工业粉尘(如金属颗粒)，可引起相应的肺尘等疾病硫酸烟雾对皮肤、眼结膜、鼻粘膜、咽喉等均有强烈刺激和损害。铅略超大气污染允许深度以上时，可引起红血球碍害等慢性中毒症状。二氧化硫浓度为15ppm时可闻到嗅味，5ppm长吸入可引起心悸、呼吸困难等心肺疾病。 细粒子的危害较大不仅表现在可吸入性上，还由于有毒污染物在细粒子中的含量大大高于粗粒子。北京市大气颗粒物的成分测定结果表明，多环芳烃的90%集中在3m以下的颗粒物中，重金属的50%-80%集中在1.5m以下的细粒子中。 除此之外，由于气溶胶粒子具有对光的散射和吸收作用，特别是0.1-1m粒径范围的细粒子（燃烧，工业排放）与可见光的波长相近，对可见光的散射作用十分强烈，造成了大气可见度降低的主要原因。当烟雾浓度很高，大气严重混浊时，能见度甚至可低于几米。这样交通受到影响，并且增加了照明用电燃料的消耗，从而加重了空气污染并形成恶性循环。阿同时由于