大氣氣溶膠讀書報告

關于氣溶膠學習的讀書報告一、 引言大氣氣溶膠是由大氣介質和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系。由于它是由不同相態(tài)物體組成，雖然其含量很少，但對大氣中發(fā)生的許多物理化學過程都有重要的影響。例如，氣溶膠對太陽輻射的吸收和散射會改變地球大氣系統(tǒng)的行星反照率，從而影響到地氣系統(tǒng)的能量平衡；大氣氣溶膠還起到云凝結核的作用；大量的氣溶膠顆粒有可能使云滴的數(shù)密度增加，云滴的平均半徑變小，這有可能使云對太陽輻射的反射率增加或使云的維持時間加長，甚至使降水減少。這些都會影響到地氣系統(tǒng)的能量平衡，從而對氣候變化有影響。大氣氣溶膠有著眾多的自然源和人為源，例如火山的噴發(fā)，海水的濺沫，地面的揚塵，生物體的燃燒以及人類活動，燃料的使用等過程產(chǎn)生的各種顆粒物。但由于它在大氣中的停留時間較短，其特性隨空間和時間都有明顯的變化，因此到目前為止，我們尚且還缺少足夠的數(shù)據(jù)來研究大氣氣溶膠對氣候系統(tǒng)的確切影響。根據(jù)目前的研究結果，由氣溶膠引起的全球平均輻射強迫和溫室氣體引起的輻射強迫量級相等，而性質卻相反，氣溶膠引起的溫度降低有可能局部抵消由于溫室氣體引起的全球溫度升高。但相對于溫室氣體的研究來說，有關氣溶膠輻射強迫研究的可信度都在低或者很低的水平，因此這還是一個需要進一步加強研究的領域。二、 內(nèi)容概述所閱讀的論文中，論述了大氣氣溶膠的尺度、分類、濃度分布等基本概念，大氣氣溶膠輻射特性及其氣候效應的研究，重點討論了大氣氣溶膠的地面和衛(wèi)星的遙感測量方法，地面遙感和多種衛(wèi)星資料，包括AVHRR,SVISSR,TOMS,POLDER等，被用來研究大氣氣溶膠的輻射特性，并提出了用消光和前向散射相結合和利用天空散射光分布反演粒子譜分布相函數(shù)等方法。開展了有關氣溶膠氣候效應的數(shù)值模擬研究,并對非球形粒子以及吸濕性粒子的作用做了專門的計算。對沙塵粒子的直接觀測為研究其生成條件和輸送特性提供了基礎數(shù)據(jù)。文中對不同的研究方法進行了初步評述,并對氣溶膠的研究提出幾點建議。三、 理論與方法1.尺度一般說來,半徑小于1微米的粒子,大都是由氣體到微粒的成核、凝結、凝聚等過程所生成；而較大的粒子,則是由固體和液體的破裂等機械過程所形成。它們在結構上可以是均相的,也可以是多相的。已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程。液體氣溶膠微粒一般呈球形，固體微粒則形狀不規(guī)則，其半徑一般為10-3?102微米。粒徑在10-1?101微米的氣溶膠在大氣光學、大氣輻射、大氣化學、大氣污染和云物理學等方面具有重要作用。小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制，而大粒子的濃度則受沉降作用所限制。微粒在大氣中沉降的過程中，受的阻力和重力的作用達到平衡時，各種粒子的沉降速度不同。2.分類氣溶膠按其來源可分為一次氣溶膠（以微粒形式直接從發(fā)生源進入大氣）和二次氣溶膠（在大氣中由一次污染物轉化而生成）兩種。它們可以來自被風揚起的細灰和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的鹽粒、火山爆發(fā)的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源，也可以來自化石和非化石燃料的燃燒、交通運輸以及各種工業(yè)排放的煙塵等人為源。按粒徑的大小分類：總懸浮顆粒物（TSP）:用標準大容量顆粒采樣器在濾膜上所收集到的顆粒物的總質量，通常稱為總懸浮顆粒物。Dp（粒徑）在100凹以下，其中多數(shù)在10凹以下，是分散在大氣中的各種粒子的總稱。飄塵：Dp<10凹能在大氣中長期飄浮的懸浮物質，如煤煙、煙氣、霧等。降塵：能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在TSP中直徑大于30ym的粒子由于自身的重力作用會很快沉降下來，這部分顆粒物稱為降塵?？晌肓Ｗ樱阂子谕ㄟ^呼吸過程而進入呼吸道的粒子。目前國際標準化組織（ISO）建議將其定為Dp<10ymo細粒子：其粒徑小于2.5ym,記為：PM2.5按顆粒物成因分:分散性氣溶膠：指固態(tài)或液態(tài)物質經(jīng)粉碎、噴射形成微小粒子分散在大氣中形成的氣溶膠，如海浪分濺、農(nóng)藥噴灑等。凝聚性氣溶膠：由氣體或蒸汽遇冷凝聚成液態(tài)或固態(tài)微粒而形成的氣溶膠按顆粒物的物理（凝聚）狀態(tài)分:固態(tài)：煙、塵液態(tài)：霧固液混合：霾、煙霧3.濃度分布氣溶膠的濃度,可以用一定體積中微粒的總質量來表示,基本單位是微克/米,也可以用數(shù)密度即單位體積內(nèi)的粒子數(shù)目來表示。氣溶膠的分布特性通常可用其粒子數(shù)目（n）、粒子表面積（S）、粒子的體積（V）或質量（m）按粒徑大?。―）的分布來描述，一般作dn/dlgD、dS/dlgD和dV/dlgD對lgD的分布圖，它們基本上呈正態(tài)分布。對于半徑（r）在0.1微米和10微米之間的粒子，一般用容格（Junge）分布來表示，即：n（r）=Cr式中v近似等于3,C是正比于粒子濃度的常數(shù)。但是20世紀70年代以來，有人提出三模態(tài)大氣氣溶膠的分布（愛根核模、積聚模和粗粒子模）。愛根核范圍的粒子是由高溫過程或化學過程產(chǎn)生的蒸汽凝結而成；積聚作用范圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結長大而形成，80%以上的大氣硫酸鹽微粒屬于此模；粗粒子則是由液滴蒸發(fā)、機械粉碎等過程形成。細粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右。從對人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子，常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；2?10微米的粒子大部分留在上呼吸道，而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內(nèi)滯留的比率增加,0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內(nèi)附著的比率增加半徑小于0.1微米的粒子,其數(shù)密度隨離地面高度的增加而減小，這表明它們來源于地表；但半徑0.1?1微米的粒子，其數(shù)密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,并且在15?20公里附近出現(xiàn)極大值，形成平流層內(nèi)的氣溶膠層，這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經(jīng)氧化成固體而形成的。它雖然只占大氣中氣溶膠總量的百分之幾，但對于大氣的氣溫有重要的影響。通過大氣遙感可探測氣溶膠粒子的平均譜分布。4.特性由于氣溶膠的分散介質是氣體，氣體的粘度小，分散相與分散介質的密度差很大，質點相碰時極易粘結以及液體質點的揮發(fā)，使氣溶膠有其獨特的規(guī)律性。氣溶膠質點有相當大的比表面和表面能，可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速，甚至可以引起爆炸，如磨細的糖、淀粉和煤等。氣溶膠質點能發(fā)生光的散射，這是使天空成為藍色，太陽落山時成為紅色的原因。在動力性質方面，其布朗運動非常劇烈，當質點小時具有擴散性質；當質點大時，由于與介質的密度差大，沉降顯著。因介質是氣體，這些動力性質與氣體分子自由路程有關。在電學性質方面，氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在，但可以帶電，其電荷來源于與大氣中氣體離子的碰撞或與介質的摩擦，所帶電荷量不等，且隨時間變化；質點既可帶正電也可帶負電，說明其電性決定于外界條件。在穩(wěn)定性方面，氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層，相碰時即發(fā)生聚結，生成大液滴（霧）或聚集體（煙），此過程進展極其迅速，所以氣溶膠是極不穩(wěn)定的膠體分散體系，但由于布朗運動的存在，也具有一定的相對穩(wěn)定性。5.作用氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。它們能作為水滴和冰晶的凝結核、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環(huán)，是大氣的重要組成部分。氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中，從而冷卻大氣，并會使大氣的能見度變壞另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長波輻射的外逸，使大氣升溫。研究稱氣溶膠對全球變暖的“冷卻效應”很微弱。一位挪威科學家表示，他已經(jīng)估測出了氣溶膠到底能對氣候產(chǎn)生多大影響。6.氣溶膠與全球變暖散布在大氣中的氣溶膠微粒對太陽光具有反射效應，進而可以“遮蔽”全球變暖的影響。而這位挪威科學家的研究項目的目的是要綜合運用反應這種“直接氣溶膠效應”的各類模型和觀測結果，以準確評估這一冷卻效應的作用。據(jù)英國廣播公司消息，挪威國際氣候和環(huán)境研究中心的氣候科學家岡納?邁爾（GunnarMyhre）在《科學》雜志上報告說，他的研究發(fā)現(xiàn)冷卻效應并不像此前研究預測的那么強烈。邁爾說，這能清楚地表明到目前為止人類到底給氣候帶來了多大的改變。他研究的污染微粒包括硫酸鹽等工業(yè)氣溶膠、燃燒農(nóng)業(yè)廢棄物所排放的硝酸鹽以及柴油發(fā)動機和其它燃燒形式所產(chǎn)生的黑碳（煤煙）?！皻馊苣z排放的全球模型顯示，溫室氣體造成的全球變暖有大約10%被它們（氣溶膠）的冷卻效應消除了?！眳⑴c該項研究的英國氣象局氣溶膠研究員吉姆海伍德（JimHaywood）解釋說，“但利用衛(wèi)星手段探測到的大氣氣溶膠的含量卻表明，冷卻效應消除了大約20%（的全球變暖）?！边~爾協(xié)調(diào)了兩種方法，最終得到了一個更為精確的評估數(shù)據(jù)——冷卻效應接近10%。這一結果比聯(lián)合國政府間氣候變化專家委員會（IPCC）此前所預測的要弱。“硫酸鹽和有機碳反射太陽輻射，而黑碳在很大程度上卻會吸收太陽輻射?！彼忉屨f?！澳Ｐ涂紤]到了黑碳（排放）增幅多于其它兩種氣溶膠的情況。但基于觀測的方法卻難以將其考慮在內(nèi)，因為我們只有針對當前狀況的觀測數(shù)據(jù)，而且不是在人類活動開始之前的。這將對以后的氣候預測產(chǎn)生影響。”海伍德說。不過，氣溶膠對氣候的影響遠不止于此。氣溶膠微粒會改變云層，增加大氣中液滴濃度，從而增加云量。邁爾說，這種“間接氣溶膠效應”引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在“很多不確定”。海伍德對此表示同意。“氣溶膠對云量的影響讓我們很傷腦筋，”他說，“這給我們的數(shù)據(jù)采集留下了一個大空白?！彼陀鴼庀缶值耐乱呀?jīng)開始研究是否可以利用氣溶膠來有意地遏制全球變暖。在最近的一項研究中，他通過氣候模型來預測，利用海鹽顆粒增加云層的反照率這種故意使云層變亮的手段將對全球氣溫產(chǎn)生什么樣的影響。研究小組發(fā)現(xiàn)，全球變暖將被延緩多達25年，但他們同時發(fā)現(xiàn)，這種方法也會帶來很多不利影響。研究人員說，其中最嚴重的后果就是，南美地區(qū)的降雨量將大幅減少，這很可能會加速亞馬遜雨林的枯萎，給這一世界主要碳匯造成損失。“采用這種方法，你必須非常謹慎地選擇云層?！焙Ｎ榈抡f。邁爾指出，同溫室氣體相比，氣溶膠對氣候的影響最終將變得無足輕重。“氣溶膠的壽命很短，而溫室氣體的壽命卻很長——二氧化碳可以存在100多年?！彼f，“在將來，溫室氣體才是全球變暖真正的大問題。它們的影響將越來越重要?！?.氣溶膠的測量氣溶膠粒子對入射輻射的散射和吸收作用可以使入射輻射的性質和強度發(fā)生變化，通過測量入射輻射的變化可以反演氣溶膠粒子特性，這是遙感氣溶膠的基本原理。利用遙感方法可以直接得到氣溶膠輻射特性，并用于氣候研究過程。7.1地基遙感目前國內(nèi)開展的地基遙感方法主要有：太陽直接輻射的寬帶分光輻射遙感、多波段光度計遙感、根據(jù)天空散射亮度分布遙感、全波段太陽直接輻射遙感、華蓋計遙感以及激光雷達遙感等。太陽直接輻射的寬帶分光輻射遙感根據(jù)Angstrom公式，氣溶膠的光學厚度與波長的關系符合：t（入）=0入-a（1）其中t為大氣氣溶膠光學厚度，卩表示整層大氣氣溶膠的濃度，稱為Angstrom大氣渾濁度參數(shù)，a與氣溶膠的粒子譜分布有關。按照式（1）,如果已知氣溶膠在兩個波段的消光，即可求出卩和a的值。根據(jù)世界氣象組織（WM0）的推薦，利用波長范圍分別為：0.53?2.80^m,0.63?2.80^m,0.7?2.8ym的0G1,RG2,RG83種濾光片測量太陽直接輻射，然后把3種濾光片測得的太陽直接輻射相減，可以獲得到達地面的0.53?0.63ym,0.63?0.7ym波長范圍內(nèi)的太陽直接輻射，根據(jù)這兩個波段的大氣上界太陽輻射常數(shù)，可以解方程組得到卩和a的值，從而得到氣溶膠濃度和粒子半徑的信息。多波段光度計遙感多波段光度計是利用可見到近紅外波段范圍內(nèi)一系列窄波段濾光片（通常半波寬度小于20nm）測量大氣對太陽直接輻射的消光，然后反演大氣氣溶膠光學厚度和粒子譜。這是目前在氣溶膠遙感方法中比較準確,也是應用較多的一種方法。根據(jù)天空散射光亮度分布遙感來自太陽的入射光被大氣分子和大氣氣溶膠散射,使整個天空都呈現(xiàn)光亮的狀態(tài),天空亮度的分布是由太陽位置和大氣中的散射質點特性決定的,分析天空的亮度特征,可以得到氣溶膠信息。利用全波段太陽直接輻射遙感邱金桓等全波段太陽直接輻射對氣溶膠光學厚度及粒子譜敏感性的基礎上提出了從晴天全波段太陽直接輻射信息確定0.7ym波長氣溶膠光學厚度的方法；1997年他又對這個方法作了改進,在加上了能見度信息的基礎上,提出了利用全波段太陽短波直接輻射和能見度信息,同時反演整層大氣氣溶膠光學厚度和平流層光學厚度的方法,并用于長時間序列大氣氣溶膠特性的研究。⑤激光雷達遙感激光雷達可以遙感氣溶膠粒子隨高度的分布特征,近幾年利用激光雷達遙感氣溶膠的研究得到了很大重視,但由于激光雷達設備費用較高,目前僅在合肥、北京等地利用激光雷達進行長期遙感氣溶膠的工作。7.2衛(wèi)星遙感地面遙感氣溶膠可以得到較為準確的氣溶膠信息,但是目前這種方法只能在有限的區(qū)域進行,不能用來遙感大范圍氣溶膠光學特性。利用衛(wèi)星遙感可以彌補這個不足,特別是在環(huán)境惡劣的邊遠地區(qū)和廣闊的海洋地區(qū),衛(wèi)星遙感方法更能顯出它的優(yōu)勢。四、擴展討論在大氣氣溶膠的研究方面,已經(jīng)進行了大量的研究工作,也提出了很多有價值的研究方法,得到了大量的有價值的數(shù)據(jù)。根據(jù)目前的研究狀況,還應開展以下幾方面工作：（1） 數(shù)據(jù)資料的收集整理。現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)大部分分散在各研究單位,雖然資料很多,但沒有形成整體優(yōu)勢。系統(tǒng)分析氣溶膠的時空特征,找出目前研究的不足,然后有針對性的開展一些研究工作。（2） 不同遙感方法的綜合比較試驗?？梢钥紤]進行一次綜合的儀器和方法的比較試驗,通過分析同時觀測的結果,評價不同方法的準確性、適應范圍,為以后的氣溶膠研究提供可行方法和并評價結果可信性。（3） 在有條件的地方進行長時間的氣溶膠觀測,一方面可以得到氣溶膠長期變化趨勢,另一方面可以為氣溶膠研究提供基本的參考數(shù)據(jù)。五、評論及結語許多直接和間接的遙感技術已被用于測量氣溶膠的光學厚度,其中利用衛(wèi)星圖像反演氣溶膠光學厚度已經(jīng)成為快速、有效地獲得大氣氣溶膠光學厚度的手段。雖然原則上講美國已經(jīng)能用圖像給出全球大部分地區(qū)的氣溶膠光學厚度,但是包括我國在內(nèi)的許多陸地類型和海岸帶地區(qū)給出的氣溶膠光學厚度明顯與實際不符。其主要原因是地表反射率假設不正確或氣溶膠模型的選擇不符合實際。我們已對衛(wèi)星遙感氣溶膠進行了一些研究，但相對于國際上在這個領域的研究工作來說我們還需要加大研究力度，特別應注重利用衛(wèi)星遙感中國地區(qū)大范圍氣溶膠光學特性，發(fā)揮衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢，此外還要注意利用新的探測器