大气气溶胶综述

1、大气气溶胶综述大气气溶胶概述：气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为10-3cm10-7c m,分散介质为气体。云、雾、尘埃、未燃尽的燃料产生的烟、气体中的固体粉尘等等都是气溶胶。大气中悬浮均匀分布的相当数量的固体微粒和液体微粒，如海盐粉粒、灰尘（特别是硅酸盐）、烟尘和有机物等多种物质，所构成的稳定混合物，统称为气溶胶粒子。气溶胶的消除，主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。尺度一般说来，半径小于1微米的粒子，大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所 生成；而较大的粒子，则是由固体和液体的破

2、裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理 过程。 液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为10-3102微米。粒径在10-1101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理 学等方面具有重要作用。小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程中，受的阻力和重力的作用达到平衡时，各种粒子的沉降速度不同。分类气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被

3、风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、 火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。按粒径的大小分类： 总悬浮颗粒物（TSP）:用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。Dp（粒径）在100心 以下，其中多数在10m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。 飘尘：Dp v 10m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。 降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在TSP中直径大于30卩m的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘。 可吸入粒子：易于通过呼吸过程

4、而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织（ISO）建议将其定为 DpW 10卩m。 细粒子：其粒径小于 2.5卩m，记为：PM2.5按颗粒物成因分：1. 分散性气溶胶：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形成的气溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。2. 凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶按颗粒物的物理（凝聚）状态分：1固态：烟、尘2液态：雾3. 固液混合：霾、烟雾化学成分气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、 硫酸盐、硝酸盐和含 氧有机化合物等。由于来源不同，形成过程也不同，故其成分不一，特别是城市大气受污染 源的影响， 气溶胶的成分变

5、动较大。 但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定， 大体上与地区 的土壤成分有关。大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐， 是气溶胶的主要成分之一。 其转化过程尚未完全明 白，已知二氧化硫可在均相条件下（在气相中），或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多 相条件下（在液相或固相表面上）转化成三氧化硫，再与水反应生成硫酸， 并和金属氧化物 的微尘反应而生成硫酸盐。 硫是气溶胶内最重要的元素， 其含量能反映污染物的全球性迁移、 传输和分布的状况（见大气微量气体）。气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。气溶胶中有铵离子 （NH 嬃）存在 ,能与 硫酸根离子（SO娺）和硝酸根离子（NO婣）生成铵盐。至于气溶胶

6、中的有机物，更是许多种类有 机物的复杂混合物，其中包括稀烃、烷烃、芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯，以及有 机氮化物和有机硫化物等。气溶胶来源于土壤的各种元素（如铕、钠、钾、钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝 等），其含量在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如氯、钨、银、锰、镉、 锌、锑、镍、砷、铬等），就有较大的地区差别。浓度分布气溶胶的浓度，可以用一定体积中微粒的总质量来表示，基本单位是微克/米，也可以用数密度即单位体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可用其粒子数目（n）、粒子表面积（S）、粒子的体积（V）或质量（m）按粒径大小（D）的分布来描述，一般作dn/d IgD

7、、dS/d IgD和dV/d IgD对IgD的分布图,它们基本上呈正态分布。对于半径（r）在0.1微米和10微米之间的粒子，一般用容格 Ju nge）分布来表示，即：n（r） = Cr式中 v 近似等于 3,C 是正比于粒子浓度的常数。但是 20世纪 70年代以来 ,有人提出三 模态大气气溶胶的分布 （爱根核模、积聚模和粗粒子模）。 图中还示出它们的粒径范围、主要质量源以及质量的输入或去除的主要过程。 由此可见， 爱根核范围的粒子是由高温过程或 化学过程产生的蒸汽凝结而成； 积聚作用范围的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结 长大而形成， 80以上的大气硫酸盐微粒属于此模； 粗粒子则是由液滴

8、蒸发、 机械粉碎等过 程形成。细粒子和粗粒子的分界线通常直径为 2 微米左右。从对人体呼吸道的危害看来 ,10 微米以上的粒子，常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；210微米的粒子大部分留在上呼吸道，而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加 ,0.1 微米以下的粒子随着粒径的减小 在支气管内附着的比率增加。 半径小于 0.1 微米的粒子 ，其数密度随离地面高度的增加而减 小，这表明它们来源于地表；但半径 0.11微米的粒子 ，其数密度在对流层顶上部随高度逐 渐增加 ，并且在 1520公里附近出现极大值，形成平流层内的气溶胶层，这层气溶胶可能是 火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成的。 它

9、虽然只占大气中气溶胶总量的百分之 几，但对于大气的气温有重要的影响。通过大气遥感可探测气溶胶粒子的平均谱分布。特性：由于气溶胶的分散介质是气体， 气体的粘度小， 分散相与分散介质的密度差很大， 质点 相碰时极易粘结以及液体质点的挥发， 使气溶胶有其独特的规律性。 气溶胶质点有相当大的 比表面和表面能， 可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速， 甚至可以 引起爆炸， 如磨细的糖、 淀粉和煤等。 气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝 色，太阳落山时成为红色的原因。在动力性质方面，其布朗运动非常剧烈， 当质点小时具有 扩散性质；当质点大时，由于与介质的密度差大，沉降显著。因介质

10、是气体，这些动力性质 与气体分子自由路程有关。 在电学性质方面， 气溶胶粒子没有扩散双电层存在， 但可以带电， 其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦，所带电荷量不等，且随时间变化； 质点既可带正电也可带负电， 说明其电性决定于外界条件。 在稳定性方面， 气溶胶粒子没有 溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层， 相碰时即发生聚结， 生成大液滴 （雾） 或聚集体 （烟 ）， 此过程进展极其迅速， 所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系， 但由于布朗运动的存在， 也 具有一定的相对稳定性。作用：气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。 它们能作为水滴和冰晶的凝结核 （见大 气凝结核、大气冰核）

11、、太阳辐射的吸 收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重 要组成部分。气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。 一方面可以将太阳光反射到太空中， 从而冷 却大气，并会使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、 漫射和吸收一部分太阳辐射， 减少地面长波辐射的外逸，使大气升温。研究称气溶胶对全球变暖的“冷却效应” 很微弱。一位挪威科学家表示， 他已经估测出 了气溶胶到底能对气候产生多大影响。气溶胶的危害：气溶胶粒子浓度大时可以导致大气能见度的降低，到达地面的太阳关减少，降低 地表温度，影响植物的生长。同时气溶胶能为酸雨的形成提供良好的反应条件，这就 促进了酸雨的形成。气溶胶不仅对能见度和气候有

12、巨大的作用 , 而且对人体健康和生活质量也有巨 大的影响。人们在呼吸时吸入的不是纯净的空气而是气溶胶，所以，显而易见，在空 气质量不好的地方，如：工业、矿山、被污染的地方的空气对人体都是有害的。一般 而言粒径大于 10 微米的不能通过呼吸道进入人体，小于 0.1 微米的可以在呼吸道自 由的进出，在 0.110微米的可以通过呼吸进入呼吸道。在0.14微米的在肺部沉积，在0.12.5微米的沉积最多。气溶胶与全球变暖：散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效应， 进而可以“遮蔽”全球变暖的影响。 而这位挪威科学家的研究项目的目的是要综合运用反应这种 “直接气溶胶效应” 的各类模型 和观测结果，以准

13、确评估这一冷却效应的作用。据英国广播公司消息， 挪威国际气候和环境研究中心的气候科学家冈纳 迈尔（Gunnar Myhre）在科学杂志上报告说，他的研究发现冷却效应并不像此前研究预测的那么强烈。 迈尔说， 这能清楚地表明到目前为止人类到底给气候带来了多大的改变。他研究的污染微粒包括硫酸盐等工业气溶胶、 燃烧农业废弃物所排放的硝酸盐以及柴油发动机和其它燃烧形式 所产生的黑碳（煤烟）。“气溶胶排放的全球模型显示，温室气体造成的全球变暖有大约10%被它们（气溶胶）的冷却效应消除了。”参与该项研究的英国气象局气溶胶研究员吉姆海伍德（Jim Haywood ）解释说，“但利用卫星手段探测到的大气气溶胶的

14、含量却表明， 冷却效应消除了大约 20% （的全球变暖） 。”迈尔协调了两种方法，最终得到了一个更为精确的评估数据冷却效应接近10%。这一结果比联合国政府间气候变化专家委员会 （IPCC） 此前所预测的要弱。 “硫酸盐和有机碳 反射太阳辐射，而黑碳在很大程度上却会吸收太阳辐射。”他解释说。“模型考虑到了黑碳（排放） 增幅多于其它两种气溶胶的情况。 但基于观测的方法却难以将其考虑在内， 因为我 们只有针对当前状况的观测数据， 而且不是在人类活动开始之前的。 这将对以后的气候预测 产生影响。” 海伍德说。不过，气溶胶对气候的影响远不止于此。 气溶胶微粒会改变云层， 增加大气中液滴浓度， 从而增加云量。迈尔说，这种“间接气溶胶效应”引起的遮蔽或者冷却作用仍然存在“很多 不确定”。海伍德对此表示同意。“气溶胶对云量的影响让我们很伤脑筋，”他说，“这给 我们的数据采集留下了一个大空白。 ”他和英国气象局的同事已经开始研究是否可以利用气 溶胶来有意地遏制全球变暖。在最近的一项研究中， 他通过气候模型来预测， 利用海盐颗粒增加云层的反照率这 种故意使云层变亮的手段将对全球气温产生什么样的影响。 研究小组发现， 全球变暖将被延 缓多达