大氣氣溶膠研究進(jìn)展-吸濕性及酸度

1、主要內(nèi)容1 大氣氣溶膠吸濕性質(zhì)研究進(jìn)展1.1 吸濕性質(zhì)研究的意義1.2 國內(nèi)外研究方法及主要結(jié)論1.3 未來展望2 大氣氣溶膠酸度的研究進(jìn)展2.1 酸度研究的意義2.2 酸度變化規(guī)律及影響因素2.3 國內(nèi)大氣氣溶膠酸度研究現(xiàn)狀2.4 未來展望1.1吸濕性研究的意義 大氣氣溶膠的化學(xué)組分按吸濕性可分為親水性氣溶膠和憎水性氣溶膠。硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、海鹽等無機(jī)成分及部分吸濕性有機(jī)物主要是碳黑及部分有機(jī)物 對大氣能見度的影響 對人體健康的影響對顆粒物酸度的影響大氣氣溶膠各化學(xué)組分會隨著大氣相對濕度（RH）的變化發(fā)生潮解、風(fēng)化過程，使得單個大氣顆粒物的粒徑、質(zhì)量、密度等微物理參數(shù)發(fā)生變化，致使氣溶膠

2、粒子群宏觀上的物理、化學(xué)、光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。從微觀上，一個干粒子吸濕后，其粒徑有明顯的增 長，而其密度、折射指數(shù)單調(diào)減?。桓鶕?jù)米（Mie)散射理論，前向散射迅速增大，這必將改變顆粒物的輻射特性參數(shù)，進(jìn)而影響大氣能見度及地球表面、大氣頂層的輻射強(qiáng)迫。一方面，大氣顆粒物由鼻腔吸入，在呼吸道內(nèi)9999.5相對濕度的影響下,顆粒物尤其是硫酸鹽等易溶于水的顆粒物將在9ns的時間內(nèi)完全長大，其粒徑增長可在3 6倍之間。另一方面，顆粒物粒徑的大小與其沉降速度、位置又有密切關(guān)系。所以顆粒物的吸濕性質(zhì)對大氣氣溶膠在人體呼吸道中的沉降量、沉降位置等具有深遠(yuǎn)的影響。大氣氣溶膠的酸度程度與周圍大氣環(huán)境的RH密切相關(guān)（

3、于鳳蓮，2001）。北京和重慶污染程度接近，大氣中SO2的濃度都很高，但北京很少有酸雨產(chǎn)生，而重慶確是我國的酸雨中心，這是因為，北京除了夏季外天氣通常是干旱少雨的，在夏季七月份的可以達(dá)到，而其他季節(jié)差不多只有，而重慶的通常在 之間，氣溶膠極易發(fā)生液相化學(xué)反應(yīng)而被酸化。在一些城市氣溶膠研究中也發(fā)現(xiàn)高的可以促進(jìn)硫酸及硫酸鹽的生成，從而增強(qiáng)粒子群的酸性。.國內(nèi)外研究方法及主要結(jié)論實驗室研究 原理：利用單顆粒懸浮技術(shù)分析常見化學(xué)物種的粒徑增長系數(shù)。在單粒子懸浮腔室，單粒子帶電克服重力做功使得粒子時刻處于懸浮狀態(tài)。改變電磁場內(nèi)的RH，顆粒物將吸濕長大、自身的重量增加，這時必須增加電磁場兩端的電壓，使顆粒

4、物達(dá)到力學(xué)平衡。而電壓信號直接輸出到計算機(jī)，最后得到RH與顆粒物質(zhì)量、粒徑、密度的函數(shù)關(guān)系曲線。 優(yōu)點：撇開了復(fù)雜的環(huán)境體系，使問題簡單化，為處理復(fù)雜的問題打下基礎(chǔ)。 缺點：研究對象多為單一化學(xué)物種，實際環(huán)境大氣中，單一化學(xué)物種是很難存在的。 .國內(nèi)外研究方法及主要結(jié)論外場觀測 觀測的方法主要主要有：雙電遷移性顆粒物吸濕粒徑分析儀、電遷移性顆粒物吸濕粒徑分析儀和濁度計串聯(lián)、并聯(lián)分別觀測顆粒物的粒徑、散射系數(shù)的變化。 a.雙電遷移性顆粒物吸濕粒徑分析儀 原理：顆粒物通過采樣口，經(jīng)過采樣器成為干燥粒子，然后進(jìn)入微分遷移率分析儀1和凝結(jié)粒子計數(shù)器1，然后進(jìn)入加濕系統(tǒng)，顆粒物吸濕長大后進(jìn)入微分遷移率分

5、析儀2和凝結(jié)粒子計數(shù)器2，完成一個測試循環(huán)。 優(yōu)點：對顆粒物由小到大的粒子的吸濕增長情況進(jìn)行了“全掃描”，能考慮不同模態(tài)粒子的粒徑增長因子的變化規(guī)律。 缺點：假設(shè)粒子總個數(shù)不會變化，變化的僅是粒徑大小，這與事實不符。.國內(nèi)外研究方法及主要結(jié)論 b. 串聯(lián)、并聯(lián)濁度計的方法原理：串聯(lián)-顆粒物首先經(jīng)干燥管進(jìn)入第一臺濁度計測其散射系數(shù)，經(jīng)過可程序控制的加濕系統(tǒng)顆粒物吸濕增長，進(jìn)入第二臺濁度計測其吸濕后的散射系數(shù)，最后利用公式計算其散射吸濕增長因子。 并聯(lián)-兩臺濁度計獨立的抽取環(huán)境大氣進(jìn)行監(jiān)測，其中一臺前端安裝自動加濕裝置，兩儀器觀測值的比較得到氣溶膠的散射吸濕增長因子。優(yōu)點：能直接測量氣溶膠散射性質(zhì)

6、隨環(huán)境相對濕度的變化。缺點：濁度計腔體內(nèi)的RH很難控制。.國內(nèi)外研究方法及主要結(jié)論主要結(jié)論：程雅芳(2007)基于外場實驗觀測值，利用3組分光學(xué)平衡球形氣溶膠模型研究了水汽對廣州新墾地區(qū)氣溶膠光散射、單次散射反照率的影響，結(jié)果表明隨著RH從30%增長到80%90%，散射系數(shù)可以增1.542.31倍；李子華和徐曉萍（1996）和李子華等（2000）根據(jù)在重慶的實測氣溶膠資料，研究了RH對氣溶膠粒子短波輻射特性的影響， 結(jié)果顯示：考慮和不考慮RH的影響可以使計算得到的大氣增溫率偏差達(dá)1.0以上。但張立盛和石廣玉（2000）利用已有的氣溶膠折射指數(shù)資料，計算了在不同RH條件下的硫酸鹽氣溶膠全球輻射特

7、性，結(jié)果與以往的研究結(jié)果有一些明顯的不同，即考慮RH的影響后全球平均輻射強(qiáng)迫有所減小，其根本原因在于隨著RH的增加，粒子的質(zhì)量消光效率在減小，不對稱因子有所增大，單次散射反照率變化不明顯，因此其導(dǎo)致的整體效應(yīng)是輻射強(qiáng)迫減小。.3未來展望（1）必須開展大氣中常見化學(xué)物種及其混合物的水溶性增長機(jī)制實驗室基礎(chǔ)理論研究，定量研究親水性化合物的吸濕能力及親水性、憎水性化合物混合狀態(tài)對顆粒物水溶性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)的影響。（2）開展氣溶膠吸濕性質(zhì)的立體監(jiān)測及其對我國區(qū)域和全球氣候變化影響的研究，為制定我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供科技支撐。（3）基于大氣化學(xué)組分的氣溶膠吸濕性質(zhì)閉合試驗，建立地基國家大氣物理顆粒物化學(xué)組

8、分大氣能見度大氣輻射強(qiáng)迫綜合監(jiān)測網(wǎng)，對顆粒物進(jìn)行長期穩(wěn)定的物理、化學(xué)、光學(xué)特性的觀測，強(qiáng)化地面立體觀測與數(shù)值同化研究的接合。2.1 酸度研究的意義 大氣氣溶膠酸度影響大氣酸沉降的發(fā)生，有研究表明：大氣氣溶膠酸度較高時，其酸化緩沖能力往往較低影響酸雨的形成，同時還影響大氣化學(xué)反應(yīng)，影響大氣污染物的轉(zhuǎn)化，此外，酸性的氣溶膠粒子易形成灰霾，導(dǎo)致大氣能見度降低，危害人體健康。2.2 酸度變化規(guī)律及影響因素 大氣氣溶膠酸度通常呈現(xiàn)出粒徑越小，酸度越高的規(guī)律，主要是因為酸性前體物SO2和NOx氧化生成的硫酸鹽和硝酸鹽二次氣溶膠主要存在于粒徑較小的細(xì)粒子中，所以有機(jī)細(xì)粒子的酸度較高；而粗粒子主要來源于土壤揚

9、塵和風(fēng)沙揚塵等自然過程，常含一些堿性物質(zhì)，因此粗粒子的酸度較低。 大氣氣溶膠酸度夏季高，冬春季較低，這可能是因為SO2和NOx在高溫時易被氧化成影響氣溶膠酸度的主要物質(zhì)硫酸和硝酸，并轉(zhuǎn)化為氣溶膠粒子或吸附積累于氣溶膠中，導(dǎo)致大氣氣溶膠酸度夏季高，冬春季低的規(guī)律。2.3 國內(nèi)大氣氣溶膠酸度研究現(xiàn)狀 王瑋等對北京地區(qū)的沙塵暴天氣研究表明，TSP，PM10的酸度很低，有很強(qiáng)的酸化緩沖能力。王同桂等對重慶市7個區(qū)域的大氣氣溶膠酸度和酸化緩沖能力進(jìn)行同時監(jiān)測，證實重慶氣溶膠細(xì)粒子酸性大于氣溶膠粗粒子酸性，PM10的酸度高于TSP的酸度，并且氣溶膠酸度在秋季較高。吳學(xué)英等對遼寧鳳凰城的PM10的酸度研究發(fā)

10、現(xiàn)，大氣氣溶膠PM10具有一定的酸度，酸化緩沖能力很低。 我國針對不同粒徑的氣溶膠的酸度情況做了很多工作，最近幾年，逐漸開始關(guān)注大氣氣溶膠酸度源的研究。對我國大氣氣溶膠的季節(jié)性變化規(guī)律還沒有作系統(tǒng)研究，對影響大氣氣溶膠酸度的源解析技術(shù)研究還很少，而且，在研究氣溶膠酸性時，所采用的采樣系統(tǒng)很少考慮相關(guān)氣體對氣溶膠酸性的影響。2.4 未來展望下面幾個問題將是今后進(jìn)一步研究的重點：（1）大氣氣溶膠酸度的分布規(guī)律與來源解析研究（2）大氣氣溶膠酸度對酸沉降影響的作用機(jī)制研究（3）大氣氣溶膠酸度對灰霾影響的作用機(jī)制研究（4）大氣氣溶膠酸度研究相關(guān)的采樣系統(tǒng)的改進(jìn)與采樣規(guī) 范的制定（5）大氣氣溶膠酸度在大氣

11、非均相化學(xué)反應(yīng)中的作用機(jī)制 研究參考文獻(xiàn)1 汪安璞,大氣氣溶膠研究新動向J.環(huán)境化學(xué),1999,18(1):10-142 IGAC計劃大氣氣溶膠研究進(jìn)展.地球科學(xué)進(jìn)展,1997,12(5):468-4733 劉菁,張建強(qiáng),張玉玉.成都工業(yè)區(qū)大氣氣溶膠特征及來源.西南交通大學(xué)學(xué) 報,2006,41(6）：783-7874 于國光,王鐵冠,等.北京市大氣氣溶膠中多環(huán)芳烴的研究J.2008,37(1):72-785 毛節(jié)泰,張軍華,王美華.中國大氣氣溶膠研究綜述J.2002,60(5)625-6346 劉新罡,張遠(yuǎn)航.大氣氣溶膠吸濕性質(zhì)國內(nèi)外研究進(jìn)展J.2010,15(6):808-8167 王瑋,王英,蘇紅梅,等.北京市沙塵暴天氣大氣