氣溶膠分布及成核作用

關(guān)于氣溶膠分布及成核作用目錄氣溶膠的粒徑分布

1大氣氣溶膠譜分布函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)描述2氣溶膠粒子的三模態(tài)及其特性3氣溶膠粒子的成核作用4第2頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣溶膠的定義氣溶膠：液體或固體微粒均勻的分散在氣體中形成的相對(duì)穩(wěn)定的懸浮體系。固體或液體微粒：通常稱為顆粒物或粒子，是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑為0.003-100um的液滴或固態(tài)粒子。第3頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天大氣顆粒物的粒度分布等效直徑光學(xué)等效直徑

Diagram3Diagram4體積等效直徑或幾何直徑

空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑

第4頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天空氣動(dòng)力學(xué)直徑（Dp）式中：Dg——幾何直徑ρp——忽略了浮力效應(yīng)的粒密度ρ0——參考密度（ρ0=1g/cm3）

K——形狀系數(shù)，當(dāng)粒子為球狀時(shí)，K=1.0從上式可見(jiàn)，對(duì)于球狀粒子，ρp對(duì)Dp是有影響的。當(dāng)ρp較大時(shí)，Dp會(huì)比Dg大。由于大多數(shù)大氣粒子滿足ρp≤10，因此Dp和Dg的差值因子必定小于3。第5頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天大氣氣溶膠譜分布函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)描述123對(duì)數(shù)正態(tài)分布

冪指數(shù)定律

修正的Γ譜分布第6頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天對(duì)數(shù)正態(tài)分布第7頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天典型城市氣溶膠數(shù)譜分布、表面積譜分布和體積譜分布第8頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天冪指數(shù)定律

德國(guó)科學(xué)家junge在總結(jié)了大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，于1963年首先提出以“冪指數(shù)定律”來(lái)表示數(shù)分布函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Junge分布簡(jiǎn)潔明了，但只適用于0.1-10um粒徑范圍內(nèi)的數(shù)濃度譜分布，可以很好地?cái)M合城市氣溶膠數(shù)譜分布。第9頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天修正的Γ譜分布

式中：A、b、B、c四個(gè)參數(shù)是正數(shù)與冪指數(shù)定律數(shù)譜分布函數(shù)相比，Γ譜分布很繁瑣

Deirmendjian于1969年提出用修正的Γ譜分布，近似描述環(huán)境大氣氣溶膠數(shù)譜分布：第10頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣溶膠粒子的三模態(tài)及其特性第11頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣溶膠粒子的三模態(tài)

積聚模

愛(ài)根核膜粗離子膜

粒徑小于0.05um的粒子

粒徑在0.05-2um范圍的粒子

粒徑大于2um的粒子第12頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天三模態(tài)的主要形成和去除機(jī)制

來(lái)源：燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的氣溶膠粒子、二次粒子

特點(diǎn)：易“老化”碰并：即在已有顆粒物上化學(xué)轉(zhuǎn)化生成的冷氣冷凝后生長(zhǎng)

來(lái)源：愛(ài)根核膜的凝聚、蒸汽冷凝、凝聚、各種氣體分子轉(zhuǎn)化成的二次氣溶膠去除方式：不易被干、濕沉降出去，主要通過(guò)擴(kuò)散去除來(lái)源：機(jī)械過(guò)程所造成的揚(yáng)塵、海鹽濺沫、火山灰和風(fēng)砂等一次氣溶膠粒子去除方式：干沉降和雨水沖刷第13頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天粗、細(xì)粒子之間的相互作用由于氣溶膠老化，使積聚模的體積濃度有很大增長(zhǎng)，對(duì)粗粒子體積的影響卻相對(duì)較小

第14頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天各模態(tài)粒子之間的相互作用由上表可以看出，核膜與積聚模之間的凝聚作用超過(guò)核膜之間的凝聚作用。粗膜與粗膜之間的凝聚作用以及積聚模與粗膜之間均可忽略第15頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣溶膠粒子的成核作用均相成核或非均相成核，形成細(xì)粒子分散在空氣中

在細(xì)粒子表面，經(jīng)過(guò)多相氣體反應(yīng)使粒子長(zhǎng)大

由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子繼續(xù)長(zhǎng)大

通過(guò)干沉降和濕沉降（雨除或沖刷）清除

成核過(guò)程=物理過(guò)程+化學(xué)過(guò)程第16頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天均相成核-由氣體分子形成新核均相成核：當(dāng)某物種的蒸氣在氣體中達(dá)到一定過(guò)飽和度時(shí)，由單個(gè)蒸氣分子凝結(jié)成為分子團(tuán)的過(guò)程能量最低原理：氣體分子若能形成新核，必須在成核后使體系能量降到最低，只有這樣，新核才能穩(wěn)定

第17頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天胚芽初期形成的可能性當(dāng)e（H2O蒸汽壓）<es（飽和蒸汽壓）時(shí)，ΔGT隨著r（粒子半徑）的增大而增加，即ΔGT>0。根據(jù)熱力學(xué)原理，在等溫、等壓條件下，ΔGT>0的過(guò)程為非自發(fā)過(guò)程。因此，利于r的增大，即不利于胚芽的自發(fā)形成。在這種情況下，即使由于分子碰撞形成了胚芽，仍然會(huì)由于蒸發(fā)（自發(fā)過(guò)程）而難以穩(wěn)定存在。未飽和狀態(tài)當(dāng)e>es時(shí)，那么ΔGT可能大于零，也可能小于零。初始階段，隨r的增加ΔGT有所增大。當(dāng)r=r*時(shí)，ΔGT

達(dá)到最大ΔGT*；當(dāng)r繼續(xù)增大時(shí)，ΔGT反而減小。r*稱為臨界半徑，這時(shí)胚芽稱為臨界胚芽

過(guò)飽和狀態(tài)

第18頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天s和RH與對(duì)r*的關(guān)系

從圖中可以看出，半徑為0.01um的小液滴要與環(huán)境達(dá)到不穩(wěn)定的平衡，就需要相對(duì)濕度為112.5%或過(guò)飽和度為12.5%。而半徑為1.0um的小液滴與環(huán)境達(dá)到不穩(wěn)定平衡時(shí)，只要求100.12%的相對(duì)濕度或0.12%的過(guò)飽和度。

這就是為什么在大、小液滴同時(shí)存在時(shí)，小液滴往往不易長(zhǎng)大而易蒸發(fā)、消失，但大液滴卻不斷長(zhǎng)大的原因。S——過(guò)飽和度RH——相對(duì)濕度第19頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天氣溶膠粒子的非均相成核

非均相成核：當(dāng)有外來(lái)粒子作為核心時(shí)，蒸氣分子凝結(jié)在該核心表面的過(guò)程第20頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天新粒子生成

成核理論

水-硫酸均相成核

水-硫酸-氨均相成核低蒸汽壓有機(jī)化合物均相成核

離子誘導(dǎo)成核

第21頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天顆粒物的生成和增長(zhǎng)過(guò)程第22頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天成核理論的原理及適用條件三元成核理論

二元成核理論粒子誘導(dǎo)成核

低溫、高濕、大氣中已存在的顆粒物比較少、硫酸蒸氣濃度比較高給出足夠高的成核速率，可以合理的解釋在海岸地區(qū)所觀測(cè)到的高成核速率事件大氣離子參與成核，提高了成核速率，用于解釋目前觀測(cè)值和理論值之間的差別。成功的預(yù)測(cè)了飛機(jī)排放氣溶膠的演變第23頁(yè),共25頁(yè)，2024年2月25日，星期天

新粒子發(fā)生時(shí)，核膜態(tài)粒子數(shù)

濃度急劇增加在干凈地區(qū)和污染大氣中均觀測(cè)到了新粒子發(fā)生