大氣氣溶膠的形成與分布特征課件

大氣氣溶膠AtmosphericAerosols楊軍jyang@1/atmos_aerosol06/atmos_aerosol第二章大氣氣溶膠的來源和化學(xué)組成(2)來源化學(xué)組成2大氣氣溶膠的化學(xué)組成化學(xué)組成元素組成可溶性成分有機(jī)成分來源判別定性：富集因子定量：質(zhì)量平衡大氣氣溶膠的化學(xué)組成來源與過程決定氣溶膠粒子化學(xué)組成大氣氣溶膠的化學(xué)組成Typicalcompositionoffinecontinentalaerosol大氣氣溶膠的化學(xué)組成MajorchemicalcomponentsSulphate–arisesprimarilyasasecondarycomponentfromatmosphericoxidationofSO2Nitrate–typicallypresentasNH4NO3,resultingfromtheneutralisationofHNO3vapourbyNH3,orasNaNO3,duetodisplacementofHClfromNaClbyHNO3vapourAmmonium–usuallypresentintheformof(NH4)2SO4orNH4NO3大氣氣溶膠的化學(xué)組成Sodiumandchloride–fromseasaltElementalcarbon(EC)–formedduringthehigh-temperaturecombustionoffossilandbiomassfuelsOrganiccarbon–couldbeeitherprimary,resultingfromautomotiveorindustrialsources,orsecondary,resultingfromtheoxidationofVOCsMineralcomponents–mainlypresentinthecoarsefractionandrichinelementssuchasAl,Si,FeandCa大氣氣溶膠的化學(xué)組成Water-mayalsobepresentwithin,forexample(NH4)2SO4,NH4NO3andNaCl.Thewater-solublecomponentscantakeupwaterfromtheatmosphereathighrelativehumidity,therebyturningfromcrystallinesolidsintoliquiddroplets大氣氣溶膠的化學(xué)組成MinorchemicalcomponentsTracemetals–suchaslead,Ca,Hg,Ni,CrandZnTraceorganiccompounds–althoughthetotalmassoforganiccompoundscancompriseasignificantpartoftheoverallmassofparticles,itismadeupofaverylargenumberofindividualorganiccompounds,eachofwhichispresentataverylowconcentration大氣氣溶膠的化學(xué)組成細(xì)粒子粗粒子Massfractionsofmajorchemicalcomponentsovertheoceans1.7μg·m－314μg·m－3大氣氣溶膠的化學(xué)組成細(xì)粒子粗粒子夏季冬季MassfractionsofmajorchemicalcomponentsovercentralEuro.8.6μg·m－33.9μg·m－325μg·m－34.5μg·m－3大氣氣溶膠的化學(xué)組成自然源大陸性粒子主要與源地地表和土壤成份有關(guān)，大部分由礦物元素（鋁、硅、鈉、鉀、鋇等）組成。海洋性粒子主要由NaCl、KCl、(NH4)2SO4等吸濕性物質(zhì)組成。正常狀態(tài)下的平流層，其粒子也主要由氣粒轉(zhuǎn)換形成，成份主要是H2SO4和(NH4)2SO4等。當(dāng)有火山噴發(fā)時(shí)，大量火山灰將成為平流層粒子的主要成份大氣氣溶膠的化學(xué)組成人為源工業(yè)城市粒子大部分來自于城市污染氣體的轉(zhuǎn)換，其中主要是由SO2、NOx、NH3等污染氣體轉(zhuǎn)換為酸性粒子。城市粒子也含有礦物元素，但和自然源的大陸粒子不同，它主要來源于工業(yè)交通污染的各種元素，如氯、鎢、銀、錳、鋅、鎳、砷等大氣氣溶膠的化學(xué)組成不同粒徑大小的氣溶膠粒子，其化學(xué)組成也有很大差異。粗粒子主要是由Si、Fe、Al、Ca、Na、Mg等30多種元素組成細(xì)粒子主要是硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽，痕量金屬和碳黑等在單個(gè)粒子內(nèi)部和整個(gè)大氣中，各種化學(xué)成分的分布是不均勻的。而且，在各種物理、化學(xué)過程的作用下，大氣氣溶膠的化學(xué)成分具有明顯的可變性大氣氣溶膠的化學(xué)組成Measuredsizedistributionsofaerosolsulfate,nitrate,ammonium,chloride,sodium,andhydrogenioninClaremont,CA(Walletal.1988)大氣氣溶膠的可溶性成分大氣氣溶膠的可溶性成分ThemassconcentrationsofaerosolconstituentsmeasuredduringSeptember–October1996atRiverside,California,acitydirectlydownwindofmetropolitanLosAngeles大氣氣溶膠的可溶性成分南京冬季輻射霧、平流輻射霧離子組成

大氣氣溶膠的有機(jī)成分氣溶膠粒子中的有機(jī)物，粒徑一般都較小，多數(shù)分布在0.1-5微米的范圍內(nèi)，從化學(xué)組成看，有許多對(duì)人體有致癌、危害的物質(zhì)。烴類：脂肪族烷、烯烴和芳香烴類多環(huán)芳烴(PAH):苯并(a)芘含氧烴類：酮、酯、醛、酚及少數(shù)環(huán)氧和過氧化物等有機(jī)氮化物：硝基苯并(a)芘、N-亞硝酸銨等有機(jī)硫化物：苯并噻唑有生命的有機(jī)物：孢子、細(xì)菌、花粉等大氣氣溶膠的來源判別—定性：富集因子大氣氣溶膠的來源判別單獨(dú)使用化學(xué)元素的絕對(duì)濃度來判別污染程度很不可靠比它好些的是使用相對(duì)濃度來判斷污染的相對(duì)程度標(biāo)準(zhǔn)物濃度通常指自然本底濃度（即背景濃度），但沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在使用參考標(biāo)準(zhǔn)物濃度或是某元素R在氣溶膠中的（代數(shù)）平均濃度cR，也就是參比元素濃度2.采用同一元素的濃度監(jiān)測(cè)值與濃度的幾何平均值相比

大氣氣溶膠的來源判別采用相對(duì)濃度法是將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除因氣溶膠總量的變化而引起的變化。但此法不能鑒別具體污染源的類型，更不能估計(jì)出不同污染源貢獻(xiàn)的大小，而且采樣的條件不同，距離污染源遠(yuǎn)近不同等因素對(duì)處理結(jié)果都有很大影響大氣氣溶膠的來源判別用化學(xué)——統(tǒng)計(jì)學(xué)方法判別氣溶膠的來源及其貢獻(xiàn)在實(shí)際工作中有許多方法一種可提供定性或半定量結(jié)果，如富集因子、時(shí)空或時(shí)間序列分析法；另一種可提供定量結(jié)果，該類方法有化學(xué)元素質(zhì)量平衡法、多元線性回歸和多元逐步回歸分析法、因子分析和目標(biāo)轉(zhuǎn)換分析法等，它們通常是以化學(xué)元素質(zhì)量濃度平衡（和某種特性守恒）為前提，即氣溶膠總質(zhì)量濃度或某種化學(xué)元素的總質(zhì)量濃度是有貢獻(xiàn)的污染源相應(yīng)特性值的線性疊加。

富集因子法富集因子用于研究大氣氣溶膠粒子種元素的富集程度，判定和評(píng)價(jià)氣溶膠粒子中元素的自然和人為來源，是定性的分析富集因子法比相對(duì)濃度法更優(yōu)越它可鑒別污染源類型，甚至可半定量地說明污染源的貢獻(xiàn)，并能消除采樣過程中各種可變因素及距離污染源遠(yuǎn)近的影響。因此，它比用相對(duì)濃度來解釋源的性質(zhì)更為確切和可靠

富集因子法富集因子（EF）法采用雙重歸一化方法，把當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣中氣溶膠化學(xué)成分與唯一標(biāo)志背景氣溶膠元素的相對(duì)值與背景氣溶膠相對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行比較，富集因子EF定義為參比元素和參比物質(zhì)的選擇是關(guān)鍵。參比元素通常選擇化學(xué)穩(wěn)定、人為污染較輕的元素。參比物質(zhì)最好能選擇所研究地區(qū)的大氣本底氣溶膠，但本底氣溶膠化學(xué)元素的獲得十分困難，作為替代，一般選用全球平均地殼物質(zhì)

富集因子法勞茨（Lautzy）等人提出，若EF小于10，則認(rèn)為該元素相對(duì)于地殼或土壤沒有富集，氣溶膠主要是由土壤或風(fēng)化的巖石粒子組成的。若其值大到10～1×104范圍，則可認(rèn)為該元素被富集了，它不僅有地殼或土壤的貢獻(xiàn)，而且可能與人類的各種活動(dòng)有關(guān)，這時(shí)要結(jié)合污染源的調(diào)查，進(jìn)一步計(jì)算某種可能的污染源，如相對(duì)汽車尾氣或煤煙的EF等。如果所求得的EF值接近于1，則說明該元素的主要來源是相應(yīng)的污染源。此法半定量估計(jì)污染源的貢獻(xiàn)。

富集因子法楊軍、朱彬、李子華：澤當(dāng)、景洪大氣氣溶膠粒子的物理、化學(xué)特性。氣象學(xué)報(bào)，2001，59(6)：795-802?？死酥礐larkevalue化學(xué)元素在一定自然體系中的相對(duì)平均含量。又稱元素豐度。按照不同自然體系計(jì)算出來的元素豐度，有地殼元素豐度、地球元素豐度、太陽系元素豐度和宇宙元素豐度等。1889年美國(guó)化學(xué)家F.W.克拉克發(fā)表第一篇關(guān)于地球化學(xué)元素分布的論文，將來自不同大陸5159個(gè)巖礦土水樣品的分析數(shù)據(jù)求平均值，得出陸殼中元素的豐度。為表彰他的卓越貢獻(xiàn)，國(guó)際地質(zhì)學(xué)會(huì)將地殼元素豐度命名為克拉克值。豐度通常用重量百分?jǐn)?shù)（％）或克／噸表示。某自然體系的元素豐度，是根據(jù)組成該體系的主要物質(zhì)的化學(xué)成分，用加權(quán)平均法計(jì)算出來的。富集因子法AbundanceinEarth'sCrustofSomeoftheMostCommonCrustalElementsandThoseCommonlyFoundinAtmosphericAerosolsorUsedasaTracer(Mason,B.,andC.B.Moore,1982:Principlesofgeochemistry.4thed.Wiley.)大氣氣溶膠的來源判別—定量：質(zhì)量平衡氣溶膠來源判別兩類判別氣溶膠來源的模式源模式（擴(kuò)散模式）使用源排放率的統(tǒng)計(jì)資料，依據(jù)大氣擴(kuò)散和輸送的基本規(guī)律，研究氣溶膠濃度的空間分布，從而估算源對(duì)所研究地區(qū)氣溶膠的貢獻(xiàn)；接收點(diǎn)模式（受體模式、接收模式）與源模式恰好相反，是用在接收點(diǎn)處所獲得的氣溶膠特性，主要是化學(xué)成分濃度的資料，來反推有關(guān)源對(duì)接收點(diǎn)處的貢獻(xiàn)。源模式（擴(kuò)散模式）10公里以內(nèi)的污染物擴(kuò)散和輸送問題無論是理論上還是模式計(jì)算上可以說都比較成熟，但在污染物中距離擴(kuò)散和輸送問題中卻存在很大難點(diǎn)與近距離相比，許多控制因素變得具有非均勻性和非穩(wěn)定性，例如在數(shù)十小時(shí)的時(shí)間尺度和整個(gè)邊界層內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、大氣穩(wěn)定度、混合層高度等都不能看作是均勻和不變的。另外，隨著氣溶膠粒子在大氣中滯留時(shí)間和輸送距離的變長(zhǎng)，它們的物理和化學(xué)特征都要發(fā)生變化，與之密切相關(guān)的遷移、轉(zhuǎn)化過程則必須考慮，特別是對(duì)長(zhǎng)距離輸送，污染物的遷移和轉(zhuǎn)化成為定量估算的關(guān)鍵因素源模式（擴(kuò)散模式）當(dāng)然，用大氣擴(kuò)散模式來估算氣溶膠的空間分布，判斷各種源對(duì)所研究地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度的貢獻(xiàn)時(shí)可以具體到每一個(gè)排放源，這對(duì)于環(huán)境綜合治理和控制無疑具有十分重要的意義但在實(shí)際工作中也遇到許多困難，這集中表現(xiàn)在污染源的統(tǒng)計(jì)調(diào)查和氣象參數(shù)的獲得上，而且有的污染源，如揚(yáng)塵，由污染氣體轉(zhuǎn)化生成的硫酸鹽等二次粒子以及海鹽氣溶膠等，在有的問題中必須考慮，但又很難納入擴(kuò)散模式。這些都表現(xiàn)出大氣擴(kuò)散模式存在的缺陷接受點(diǎn)模式接收點(diǎn)模式主要是在化學(xué)——統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。此種模式只給出能影響接收點(diǎn)的各排放源的情況，而其結(jié)果多表示統(tǒng)計(jì)平均意義，從綜合治理的角度來看，比較適用于作戰(zhàn)略性決策的依據(jù)。另外，由于此模式對(duì)污染源的調(diào)查和氣象資料以及氣溶膠在大氣中本身的許多特性參數(shù)的依賴關(guān)系不那麼重要，特別是它能解決擴(kuò)散模式難以處理的問題，二者若同時(shí)使用，則可相互取長(zhǎng)補(bǔ)短?；瘜W(xué)元素質(zhì)量平衡法氣溶膠總質(zhì)量濃度或某種化學(xué)元素的總質(zhì)量濃度是有貢獻(xiàn)的污染源相應(yīng)特性值的線性疊加化學(xué)元素平衡法可以定量地估計(jì)污染源對(duì)接受點(diǎn)的貢獻(xiàn)。不過該法仍需要各種污染源排放的氣溶膠化學(xué)組成的資料，實(shí)際應(yīng)用中也存在著難以準(zhǔn)確地確定將哪些源包括進(jìn)該模式中的問題。另外，該模式的一個(gè)重要難點(diǎn)是“多源相似”