大氣氣溶膠研究的前沿問題

1、 氣溶膠的嚴格含意是指懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系。相應的，大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系。大氣氣溶膠粒子的直徑多在10-3102m之間。大氣氣溶膠研究的前沿問題大氣氣溶膠研究的前沿問題張仁健張仁健 很多過程可以產(chǎn)生氣溶膠，根據(jù)來源可分很多過程可以產(chǎn)生氣溶膠，根據(jù)來源可分為自然氣溶膠和人為氣溶膠。自然源主要是海為自然氣溶膠和人為氣溶膠。自然源主要是海洋、土壤和生物圈以及火山等，人為源主要來洋、土壤和生物圈以及火山等，人為源主要來自化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等自化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等11。工業(yè)化革命以來，人類活動不

2、僅直接向大氣排工業(yè)化革命以來，人類活動不僅直接向大氣排放大量粒子，更重要的是向大氣排放大量的放大量粒子，更重要的是向大氣排放大量的SOSO2 2和和NOxNOx，SOSO2 2和和NOxNOx在大氣中通過非均相化學在大氣中通過非均相化學反應逐漸轉化成硫酸鹽和硝酸鹽粒子，形成二反應逐漸轉化成硫酸鹽和硝酸鹽粒子，形成二次氣溶膠。污染氣體形成的大氣氣溶膠自工業(yè)次氣溶膠。污染氣體形成的大氣氣溶膠自工業(yè)革命以來有較大幅度增加。來自自然源的氣溶革命以來有較大幅度增加。來自自然源的氣溶膠如沙塵，也由于人類活動土地利用變化而發(fā)膠如沙塵，也由于人類活動土地利用變化而發(fā)生著改變。生著改變。 盡管氣溶膠只是地球大氣

3、成分中含量很少的組分，但由于其在許多大氣過程中的重要作用而日益受到重視。隨著環(huán)境污染問題的發(fā)展，已認識到大氣氣溶膠自身的污染特性與其物理化學性質以及在大氣中的非均相化學反應有著密切的關系。氣溶膠還與其他環(huán)境問題如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發(fā)生等密切相關。此外，氣溶膠對人體和其它生物的健康也有其特有的生理作用 . 1990年代以來，由于氣溶膠的氣候效應問題，氣溶膠再次成為國際學術界的研究熱點之一，大氣氣溶膠是當今大氣化學研究中前沿的領域。國際大氣化學研究計劃(IGAC)科學指導委員會于1994年將國際全球大氣化學研究計劃和國際氣溶膠計劃 (ICAP) 合并重組，大氣氣溶膠研究被列為三大

4、研究方向之一。大氣氣溶膠的研究內容，發(fā)展到包括物理和化學的性狀、來源和形成、時空分布、對氣候變化和環(huán)境質量的影響以及對大氣化學過程的影響等多方面、多層次的綜合研究，也涉及到大氣科學的各個領域，具有很強的綜合性。 現(xiàn)從大氣氣溶膠研究的四個主要方面,論述大氣氣溶膠的研究進展、相關的國際研究計劃及有關問題。 氣溶膠的基本特性 氣溶膠的氣候效應 沙塵氣溶膠1. 氣溶膠對環(huán)境和人體健康的影響等1大氣氣溶膠的基本特性研究大氣氣溶膠的基本特性研究 氣溶膠的基本特性研究是研究氣溶膠對氣候和環(huán)境影響的基礎。為制訂合理的空氣質量標準、解析污染源、研究氣溶膠對大氣化學過程的影響和健康效應，也需要對氣溶膠的特性進行深

5、入的研究。自從城市化開始后，大氣顆粒物就成為城市空氣污染的重要因素。因此氣溶膠特性研究一直是大氣環(huán)境研究的重要的課題。 回顧幾十年來氣溶膠的研究歷程，氣溶膠的研究內容不斷發(fā)生變化。過去著重于一次顆粒物，50年代后，逐漸從總懸浮顆粒物 (TSP) 轉向可吸入顆粒物PM10（10 m）。90年代后期，更重視二次顆粒物的問題?，F(xiàn)今則更側重于PM2.5 (2.5m)、亞微米(10-7 m)，甚至超細的顆粒(nm)。以前較多地針對人為源，現(xiàn)今生物源、天然源都作為重要排放源來探討。近年來，城市和區(qū)域環(huán)境的氣溶膠的特性，得到進一步重視和加強研究。對氣溶膠顆粒的成分除一般無機元素外，還開始重視元素碳、有機碳、

6、有機化合物(尤其是揮發(fā)性有機物(VOCs)、多環(huán)芳烴 (PAHs) 和有毒物。有些研究還對生物氣溶膠(細菌、病菌、霉菌等)、元素存在形態(tài)進行分析鑒定，大大豐富了氣溶膠特性研究的內容。在研究氣溶膠細粒子的過程中，相關采樣與分析測試技術也得到了不斷改進和提高。 近年IGAC組織進行了兩次氣溶膠特性實驗(Aerosol Characterization Experiment-ACE)。第一次(ACE-1, 1995年)在澳大利亞南部海域；第二次(ACE-2,1998年) 在大西洋北部地區(qū)。1998年， IGAC科學委員會決定在20002010年之間，IGAC優(yōu)先執(zhí)行的最重要實驗觀測計劃是“亞洲氣溶膠

7、實驗觀測（ACE-Asia）”，其主要內容是“亞洲地區(qū)氣溶膠的特性”，也稱為ACE-3。該項目打算利用地面（包括海、陸站點）定位觀測、飛機取樣觀測、衛(wèi)星遙感等觀測手段，對亞洲氣溶膠的特征（物理化學及光學）、來源、輸送、氣候和環(huán)境效應進行綜合觀測研究。該項目一經(jīng)提出，立即得到了日本、韓國、美國和中國科學家的響應。 ACE的觀測實驗是依照以下3個目標設計的：（1）確定主要類型氣溶膠的物理、化學、輻射、云凝結核特性，以及這些特性的相互關系的研究；（2）定量化研究控制主要氣溶膠的形成、發(fā)展、核清除的物理化學過程以及這些過程怎樣影響氣溶膠的粒度分布、化學組成、輻射和凝結核特性；（3）進一步改進提高氣溶膠

8、過程、輻射效應及全球氣候的模型。 大氣氣溶膠對輻射有重要影響，其影響程大氣氣溶膠對輻射有重要影響，其影響程度取決于氣溶膠的時空分布、自身的物理化度取決于氣溶膠的時空分布、自身的物理化學性質學性質(包括粒子尺度、譜分布、化學成分等包括粒子尺度、譜分布、化學成分等等等)以及下墊面的光學性質。因此，對氣溶膠以及下墊面的光學性質。因此，對氣溶膠特性的了解對氣溶膠的氣候效應的研究是很特性的了解對氣溶膠的氣候效應的研究是很重要的。而氣溶膠的來源、分布、自身物理重要的。而氣溶膠的來源、分布、自身物理化學性質及地表狀況這些因子都有極大的時化學性質及地表狀況這些因子都有極大的時間和空間變率。目前各種氣溶膠采樣方

9、法和間和空間變率。目前各種氣溶膠采樣方法和分析手段以及取得的資料之間還缺乏可比性。分析手段以及取得的資料之間還缺乏可比性。到目前為止，如何獲取全面有代表性的資料到目前為止，如何獲取全面有代表性的資料仍是氣溶膠基本特性研究方面亟待解決的問仍是氣溶膠基本特性研究方面亟待解決的問題。題。2 氣溶膠的氣候效應氣溶膠的氣候效應 氣候變化是當前各國政府和科學界關注的重大問題，氣溶膠作為影響氣候變化的一個重要因子，引起了全世界科學界的普遍重視。氣溶膠對氣候的影響通過兩種方式，一種是通過散射和吸收太陽輻射直接影響氣候，另一種以云凝結核（CCN）的形式改變云的光學特性和云的分布而間接影響氣候. 氣溶膠粒子的存在

10、是云形成的前提，在現(xiàn)代地球大氣的溫濕條件下，如果沒有氣溶膠粒子，將永遠不會形成云。因此，氣溶膠粒子增加的一個最直接的影響是使云滴數(shù)量增加，云的增加總的來說是使地表降溫，當然云增加可能引起降水增加，進而影響地表濕度和植被從而改變地表反照率進一步影響氣候，這一連串的間接影響至今尚無定量計算，是研究氣溶膠對氣候影響的一個重要的，也是極為困難的課題 因此，大氣氣溶膠的氣候效應比溫室氣體復雜得多。應當強調指出，盡管氣溶膠對氣候的影響與溫室效應氣體的影響是反向的，但二者不能簡單抵銷。從二者的壽命來看，對流層氣溶膠的壽命只有幾天到幾周，它的輻射強迫作用集中在排放源附近，而且基本只影響北半球，而溫室氣體的壽命

11、是十年和百年的尺度，已經(jīng)在全球范圍內產(chǎn)生影響。從影響的時間看，氣溶膠的影響主要是對白天的太陽輻射，而且夏季低緯度影響較大，而溫室氣體則晝夜都有影響，冬季和中高緯度影響大。從與下墊面的關系看，氣溶膠對輻射的影響與下墊面的光學性質關系極大，同樣一層氣溶膠，下墊面光學性質不同時它產(chǎn)生的輻射強迫會有很大差別，甚至引起符號相反的影響, 而溫室氣體的影響則基本與下墊面性質無關。 數(shù)值模擬研究使氣溶膠氣候效應的量化研究成為可能。90年代初出以來，有關人為氣溶膠輻射強迫及其氣候效應的定量化研究取得了很大的進展。模式結果表明，人為硫酸鹽氣溶膠的存在使地面損失太陽輻射約為0.51.6w/m2。應該注意，不同的研究

12、者根據(jù)不同的模式得到的結果差異較大，這些結果依然存在相當大的不確定性。這是由于缺乏氣溶膠濃度時空分布的信息以及氣溶膠物理化學光學特性及其尺度分布的準確信息。 對人為氣溶膠的間接效應研究也有大量的工作。各種模擬結果表明，硫酸鹽氣溶膠的間接氣候效應可能更為重要，但與其直接效應相比，間接效應的不確定性更大。研究表明8，硫酸鹽的間接輻射強迫為0-1.5w/m2之間。盡管不同的研究小組的結果相近，并不意味估計的可信度的提高。在弄清硫酸鹽氣溶膠-云凝結核-云滴譜的轉化關系前，還很難說氣溶膠的間接效應的量化研究結果的可信度有多大。 盡管一些初步的研究結果還存在較大的不確定性，但氣溶膠的氣候效應是肯定的。一個

13、重要的問題是如何從大量分散和不連續(xù)的氣溶膠觀測資料中提取適用于數(shù)值模式輸入和計算結果比較的資料。只有在深入了解氣溶膠物理化學特性的基礎上，才能借助不斷改進的氣候模式對氣溶膠的氣候效應進行定量研究。 解決上述問題的一種有效途徑是利用空間衛(wèi)星遙感結合地面光學探測的綜合研究方法，在區(qū)域尺度范圍內給出氣溶膠的光學厚度，譜分布，以及它們的時空分布等參數(shù)。3 沙塵氣溶膠研究沙塵氣溶膠研究 沙塵氣溶膠又稱為礦物氣溶膠，是對流層氣溶膠的主要成分。據(jù)估計全球每年進入大氣的沙塵氣溶膠達1020億噸，約占對流層氣溶膠總量的一半。全球沙塵氣溶膠主要來自撒哈拉沙漠地區(qū)、美國西南部沙漠區(qū)和亞洲地區(qū)。亞洲沙塵源區(qū)的地理位置

14、及其形成沙塵暴的天氣系統(tǒng)與其它沙塵源區(qū)不同，同時，亞洲源區(qū)位于高原，起沙后更容易被輸送到很遠的地區(qū)。 1998年4月1520日在我國發(fā)生的沙塵暴災害，影響面覆蓋了幾乎我國東部所有地區(qū)，給人民的日常生活和工礦企業(yè)、商業(yè)造成了極大破壞。在以后的幾天時間，大量浮塵通過大氣上層的氣流，先向東北越過阿留申半島和阿拉斯加，后向南進入到太平洋彼岸的美國加利福尼亞和洛基山脈的北部塵在空中所形成的“沙云”使號稱“陽光之州”的加利福尼亞州從4月25日到28日見不到陽光。2000年春季中國發(fā)生了十多次沙塵天氣，其頻率之高、范圍之廣、強度之大，為十多年來所少見，引起社會各界的廣泛關注。 沙塵氣溶膠與地球輻射系統(tǒng)的相互

15、作用比其它氣溶膠更復雜，這是由于沙塵氣溶膠既能吸收又能反射太陽和紅外輻射，因而在不同條件下對氣候產(chǎn)生加熱或冷卻作用。目前有關沙塵氣溶膠氣候強迫的估計存在較大的不確定性，甚至其強迫的正負號也沒有確定（從+0.5 W/M2到-0.7 W/M2），間接效應的不確定性更大8。 目前對于亞洲地區(qū)的沙塵氣溶膠的研究還處于起始階段，已有的研究結果是分散的。沙塵氣溶膠的物理化學光學特性以及影響沙塵輸送的物理過程（起沙機制、分譜機制、沉降機制、沙塵表面的非均相過程等）都還很不清楚，與撒哈拉沙塵的研究相比還很不夠。尤其是由于缺乏相應的觀測資料,對于沙塵氣溶膠輸送過程所采用的參數(shù)化方案均直接引用自撒哈拉沙漠的模型，

16、這同亞洲的實際情況有較大的差距，因而無法準確地描述亞洲沙塵氣溶膠的產(chǎn)生和輸送過程。 氣候變化、土地利用和土地覆蓋的變化，城市化和沙漠化的加劇等自然或人為因子引起的地表特征和大氣狀況的變化都可能改變沙塵暴的頻率及強度，而目前我們對此并不清楚。亞洲沙塵的起沙、輸送、沉降機理和有關模型的建立及驗證、沙塵氣溶膠對酸雨的中和作用、對硫酸鹽氣溶膠的形成及其譜分布和對海洋微量成分循環(huán)過程的影響將是科學界亟待深入研究的課題。 顯然，中國參加ACE-Asia研究對中國和國際組織均關系重大。中國參加ACE-Asia擬選擇沙塵氣溶膠為突破口和研究重點，在沙塵研究方面，中國擁有地域和研究基礎兩方面的優(yōu)勢。4、 氣溶膠

17、對環(huán)境和人體健康的影響氣溶膠對環(huán)境和人體健康的影響 發(fā)現(xiàn)在氣溶膠表面上的非均相化學過程對大氣化學過程的影響是近年來的事。大氣氣溶膠涉及到的化學過程主要有兩種：一種是氣溶膠形成的化學過程，光化學煙霧是城市大氣氣溶膠的重要來源，它是在城市污染大氣中特定天氣條件下發(fā)生的一種特殊現(xiàn)象，是氣相物質經(jīng)過光化學反應急劇地向顆粒態(tài)物質轉化的結果；另一種是氣相物質與氣溶膠之間的化學過程，包括氣體分子與固體顆粒表面上的氣/固非均相反應，以及氣體分子擴散到液滴內發(fā)生的氣/液多相反應。它們是對流層中較為廣泛而重要的化學過程，但迄今對這方面的研究還很少。沙塵氣溶膠表面的非均相化學過程將SO2轉化為SO2-4，從而對硫酸

18、鹽的分布產(chǎn)生影響。近年來發(fā)現(xiàn)O3與顆粒物在之間存在密切的關系，但對此了解還很少。弄清氣溶膠與O3之間的相互作用，對研究環(huán)境質量和采取有效治理措施具有重要的意義。 目前，對顆粒污染物的研究已從總懸浮顆粒物（TSP）轉向可吸入顆粒物（IP），開始對粒徑小于10m的可吸入顆粒物引起重視。美國環(huán)保局公布的大氣顆粒物標準中，1987年用PM10替代TSP；1996年增加了PM2.5細顆粒的24小時和年平均限值。由于可吸入細粒子攜帶細菌、病毒和致癌物質，極易被人體吸收并沉積在肺中，直接危害人體健康，已引起了民眾的極大關注。但關于這些可吸入有毒物質的組成、對人體健康的影響，目前還很不清楚，有待深入研究。 隨著人民生活水平的日益提高，室內空氣污染也受到了重視，除了炊事、家具、建筑裝飾材料等釋出的無機物、有機物