氣溶膠化學55940

1、logo氣溶膠化學氣溶膠化學于興娜于興娜大氣物理學院大氣物理學院大氣氣溶膠的基本特征大氣氣溶膠的基本特征大氣氣溶膠的化學組成、來源與貢獻大氣氣溶膠的化學組成、來源與貢獻大氣氣溶膠的輻射強迫大氣氣溶膠的輻射強迫主要內容主要內容v 定義：定義： 液體或固體微粒均勻地分散在氣體中形成相液體或固體微粒均勻地分散在氣體中形成相對穩(wěn)定的懸浮體系。對穩(wěn)定的懸浮體系。 液體或固體微粒（即顆粒物或粒子）是指空氣液體或固體微粒（即顆粒物或粒子）是指空氣動力學直徑為動力學直徑為0.003100 m的液滴或固態(tài)粒子。的液滴或固態(tài)粒子。v形狀：形狀：很復雜很復雜 液體顆粒物近似于球形，固體顆粒物多不規(guī)則，有片液體顆粒物

2、近似于球形，固體顆粒物多不規(guī)則，有片狀、柱狀、雪花狀、針狀等等。狀、柱狀、雪花狀、針狀等等。大氣氣溶膠的基本特征大氣氣溶膠的基本特征北京市典型煙塵集合體的北京市典型煙塵集合體的tem圖像圖像 （a.a.鏈狀鏈狀;b.;b.簇狀簇狀) )表面光滑的飛灰表面光滑的飛灰表面吸附超細表面吸附超細顆粒的飛灰顆粒的飛灰 礦物顆粒石英礦物顆粒石英硫酸鹽硫酸鹽v 粒徑：粒徑： 1. 光學等效直徑光學等效直徑： 如果所研究不規(guī)則形狀的粒子與直徑為dp的球形粒子具有相同的光散射能力，則定義dp為所研究粒子的光學等效直徑。 2. 體積等效直徑或幾何直徑體積等效直徑或幾何直徑： 如果所研究不規(guī)則形狀的粒子與直徑為dp

3、的球形粒子具有相同的體積，則定義dp為所研究粒子的體積等效直徑。 3. 空氣動力學等效直徑：空氣動力學等效直徑： 與所研究的粒子有相同終端降落速率與所研究的粒子有相同終端降落速率,密度為密度為1 g/cm3 的球體直徑。的球體直徑。v分類：分類： 1.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。v分類：分類： 2.按顆粒物的物理狀態(tài)分: 固態(tài)：煙、塵 液態(tài)：霧 固液混合：霾、煙霧 3.按粒徑大小分： 環(huán)境部門 大氣科學(云降水物理) (一) 環(huán)境部門

4、環(huán)境部門1. 總懸浮顆粒物總懸浮顆粒物：用標準大容量顆粒采樣器在濾膜上所收集到的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。用顆粒物的總質量，通常稱為總懸浮顆粒物。用tsp表示。其粒徑表示。其粒徑多在多在100 m以下，尤以以下，尤以10 m以下的為最多。以下的為最多。2. 飄塵飄塵：可在大氣中長期漂浮的粒子，其粒徑主要是小于可在大氣中長期漂浮的粒子，其粒徑主要是小于10 m。3. 降塵降塵：能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在能用采樣罐采集到的大氣顆粒物。在tsp中直徑大于中直徑大于30 m的粒子由于自身的重力作用會很快沉降下來，這部分顆粒物的粒子由于自身的重力

5、作用會很快沉降下來，這部分顆粒物稱為降塵。稱為降塵。4. 可吸入粒子可吸入粒子：易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子。目前國易于通過呼吸過程而進入呼吸道的粒子。目前國際標準化組織際標準化組織(iso)建議將其定為建議將其定為dp10 m。5. 細粒子細粒子：其粒徑小于：其粒徑小于2.5 m。中國環(huán)境空氣質量標準中中國環(huán)境空氣質量標準中pm10的相關標準的相關標準取值時間濃度限值（mg/m3）一級標準二級標準三級標準年均值0.040.100.15日均值0.050.150.25美國環(huán)保局1997年提出、2003年通過了pm2.5國家環(huán)境空氣質量標準，規(guī)定pm2.5的年均濃度和日均濃度限值分別為15和

6、65 g/m3。地點觀測時間質量濃度參考文獻北京1999.7-2000.9夏季76he et al. (2001)北京1999.7-2000.9冬季176he et al. (2001)太原2005.12216.7meng et al. (2007)南京2001149.0王薈等. (2003)上海2003.9-2005.194.64wang et al. (2006)廣州2002.1-2 105.9cao et al. (2005)青島1997-200043.6hu et al. (2002)廈門199340.0gao et al. (1996)大連200267.5takami et al.

7、(2006)香港2002.1-254.5cao et al. (2005)珠海2002.1-259.3cao et al. (2005)不同地區(qū)不同地區(qū)pm2.5的平均質量濃度（的平均質量濃度（g/m3） ( (二二) )按大氣科學分為：按大氣科學分為： 愛根核愛根核(愛根核模愛根核模)： dp0.05 m 大核大核(積聚模積聚模) ： 0.05 mdp2 mv粗粒子粗粒子2 m; 細粒子細粒子2 mwhitby提出三模態(tài)模型：提出三模態(tài)模型：愛根核模（愛根核模（dp0.05 m）：主要來源于燃燒產(chǎn)生的一次氣）：主要來源于燃燒產(chǎn)生的一次氣溶膠，以及氣體分子通過化學反應均相成核而生成的二次溶膠，

8、以及氣體分子通過化學反應均相成核而生成的二次氣溶膠粒子。氣溶膠粒子。特點：粒徑小、數(shù)量多、表面積大而不穩(wěn)定，易相互碰撞特點：粒徑小、數(shù)量多、表面積大而不穩(wěn)定，易相互碰撞凝聚成大粒子而轉入積聚模（老化）凝聚成大粒子而轉入積聚模（老化）,壽命較短（壽命較短（1 hr）。）。 whitby提出三模態(tài)模型：提出三模態(tài)模型：積聚模積聚模（0.05 m dp2 m) )：源于機械過程所造成的揚塵、海鹽飛沫、：源于機械過程所造成的揚塵、海鹽飛沫、火山灰和風沙等一次氣溶膠粒子。火山灰和風沙等一次氣溶膠粒子。特點：主要靠干濕沉降去除，壽命較短（特點：主要靠干濕沉降去除，壽命較短（min/小時小時/天）。天）。v

9、相關概念相關概念p一次氣溶膠：由排放源直接排放到大氣中的顆粒物。一次氣溶膠：由排放源直接排放到大氣中的顆粒物。p二次氣溶膠：通過與氣體組分的化學反應生成的顆粒物。二次氣溶膠：通過與氣體組分的化學反應生成的顆粒物。p均質氣溶膠：所有顆粒物的化學組成相同。均質氣溶膠：所有顆粒物的化學組成相同。p單譜氣溶膠：所有的顆粒物粒徑大小相同。單譜氣溶膠：所有的顆粒物粒徑大小相同。p多譜氣溶膠：多種粒徑大小的顆粒物。多譜氣溶膠：多種粒徑大小的顆粒物。大氣氣溶膠的濃度表示方法大氣氣溶膠的濃度表示方法數(shù)濃度數(shù)濃度：個：個/cm3表面積濃度表面積濃度：m2. cm-3體積濃度體積濃度： m3. cm-3質量濃度質量

10、濃度： mg. m-3; g. m-3氣溶膠的來源氣溶膠的來源大氣氣溶膠的來源復雜，按照產(chǎn)生的過程分為大氣氣溶膠的來源復雜，按照產(chǎn)生的過程分為自然源和人為源。自然源和人為源。自然源主要來自于洋面氣泡的破裂、土壤的風自然源主要來自于洋面氣泡的破裂、土壤的風蝕、生物的孢子花粉以及火山爆發(fā)、森林火災蝕、生物的孢子花粉以及火山爆發(fā)、森林火災等。等。人為源主要來自化石燃料燃燒、工農業(yè)生產(chǎn)活人為源主要來自化石燃料燃燒、工農業(yè)生產(chǎn)活動等；人為排放氣態(tài)污染物在一定條件下的氣動等；人為排放氣態(tài)污染物在一定條件下的氣粒轉化過程也是大氣氣溶膠的一個重要來源。粒轉化過程也是大氣氣溶膠的一個重要來源。氣溶膠的匯氣溶膠的

11、匯大氣氣溶膠主要是通過干、濕沉降的方式去除。大氣氣溶膠主要是通過干、濕沉降的方式去除。（1）干沉降：）干沉降：重力作用或與地面其他物體碰撞后沉降。（2）濕沉降：）濕沉降： 雨除 ：氣溶膠作為ccn成為云滴中心，通過凝結和碰并，云滴增長為雨滴（若t pm2.5 ；沙塵事件期間地殼元素濃度呈現(xiàn)出自西向東減弱的趨勢。沙塵事件期間地殼元素濃度呈現(xiàn)出自西向東減弱的趨勢。 沙塵天氣時的地殼元素濃度沙塵天氣時的地殼元素濃度要明顯高于非沙塵天氣要明顯高于非沙塵天氣。沙沙塵天氣時塵天氣時seoul pm10中中al和和ca的濃度約為非沙塵的的濃度約為非沙塵的3.4倍；倍；gwangju 中的濃度為非中的濃度為非

12、沙塵的沙塵的5-6倍。倍。 圖5. 沙塵與非沙塵期間的元素濃度對比氣溶膠來源解析氣溶膠來源解析 根據(jù)采樣所得樣品的化學成分，分析其來源。根據(jù)采樣所得樣品的化學成分，分析其來源。1、相對濃度法、相對濃度法：監(jiān)測濃度與某一標準濃度之比，得監(jiān)測濃度與某一標準濃度之比，得到相對濃度。到相對濃度。的監(jiān)測濃度：元素的平均濃度；：相對濃度；icicxccxiiiiiiiixii1，污染較重。綜合幾種組分，可以定性判斷污染源貢獻的程度。常選常選fe, si, al等作為參考元素，指地殼源。等作為參考元素，指地殼源。的監(jiān)測濃度：元素的平均濃度；：相對濃度；icrcxccxirirriira)b)2. 富集因子法

13、：富集因子法：特點：特點：能消除采樣過程中各種不定因素的影響。能消除采樣過程中各種不定因素的影響?？赏茰y污染物在某一地區(qū)富集的程度以及可推測污染物在某一地區(qū)富集的程度以及污染源受天然或人為污染的程度；污染源受天然或人為污染的程度；但它給不出各種不同類型污染源相對貢獻但它給不出各種不同類型污染源相對貢獻的定量結果，只能做出定性的判斷。的定量結果，只能做出定性的判斷。2. 富集因子法：富集因子法：首先選定一種環(huán)境中存在的相對穩(wěn)定的元素首先選定一種環(huán)境中存在的相對穩(wěn)定的元素r作參比元素，用顆粒物中待考查元素作參比元素，用顆粒物中待考查元素i與參比與參比元素元素r的相對含量的相對含量(xi/xr)顆粒

14、物顆粒物和地殼中相對應和地殼中相對應元素元素i和和r的相對含量的相對含量(xi/xr)地殼地殼，按下式求得富，按下式求得富集因子集因子(ef)：地殼顆粒物)/x(x)/x(xririef 如果顆粒物中某元素相對地殼的如果顆粒物中某元素相對地殼的ef較大時，較大時，表明該元素有了適當?shù)母患?，某元素的富集表明該元素有了適當?shù)母患?，某元素的富集因子小于因子小?0時，可認為相對應地殼來源沒有時，可認為相對應地殼來源沒有富集，它們主要是由土壤或巖石風化的顆粒富集，它們主要是由土壤或巖石風化的顆粒物所組成的物所組成的； 如果富集因子在如果富集因子在10104范圍，則可認為該元素范圍，則可認為該元素被富集

15、了，表明元素含量不僅有地殼物質的貢被富集了，表明元素含量不僅有地殼物質的貢獻，也與人類活動有關。獻，也與人類活動有關。 通常選擇地殼中普遍大量存在的、人為污染源通常選擇地殼中普遍大量存在的、人為污染源很小、化學穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低且易于分析的很小、化學穩(wěn)定性好、揮發(fā)性低且易于分析的元素，通常多選用元素，通常多選用fe，al或或si等。等。參比元素的選擇參比元素的選擇研究海洋上空顆粒物時，常選研究海洋上空顆粒物時，常選na作參比元素。作參比元素。近年來有人用近年來有人用sc作參比元素。雖然作參比元素。雖然sc的地殼豐的地殼豐度很小，但由于它的人為污染源較少，且化學度很小，但由于它的人為污染源較少，

16、且化學穩(wěn)定性好，揮發(fā)性也較低，與穩(wěn)定性好，揮發(fā)性也較低，與fe，al之間有很之間有很強的相關性。強的相關性。3、相關分析法、相關分析法： 富集因子法揭示的是粒子與參考源的差異，而相關富集因子法揭示的是粒子與參考源的差異，而相關分析則可以得到元素間的關連性。分析則可以得到元素間的關連性。 相關分析不限于粒子的化學量，也可以考察氣溶膠相關分析不限于粒子的化學量，也可以考察氣溶膠的物理性質的物理性質(如顆粒物大小，散射截面等如顆粒物大小，散射截面等)，氣象條，氣象條件件(如溫、濕、風、能見度等如溫、濕、風、能見度等)與化學組成的內在聯(lián)與化學組成的內在聯(lián)系及其規(guī)律。相關分析法計算物種間的相關系數(shù)，系及

17、其規(guī)律。相關分析法計算物種間的相關系數(shù)，當相關系數(shù)值很高時，說明這些物種可能有相同的當相關系數(shù)值很高時，說明這些物種可能有相同的來源。來源。4、化學元、化學元素素平衡法平衡法(ceb) ： 化學元素平衡法是在已經(jīng)確定了對氣溶膠有貢獻的化學元素平衡法是在已經(jīng)確定了對氣溶膠有貢獻的源的各種類型，并在給出了各種源的詳細化學組分源的各種類型，并在給出了各種源的詳細化學組分的基礎上，根據(jù)取得的氣溶膠樣本的化學組分，去的基礎上，根據(jù)取得的氣溶膠樣本的化學組分，去求各源的貢獻。它基于質量平衡原理，對給定的氣求各源的貢獻。它基于質量平衡原理，對給定的氣溶膠樣品中元素溶膠樣品中元素i i的監(jiān)測濃度的監(jiān)測濃度(

18、(重量百分比重量百分比)c)ci i： 分比。對氣溶膠粒子貢獻的百為源數(shù)，元素在大氣中的轉化系排放出的氣溶膠粒子中為源元素的重量百分比排放出的氣溶膠粒子中源強，為由源重量百分比的監(jiān)測濃度為氣溶膠中元素jsijaijijaijijpiicjjjijijisapc; 1; )( 所謂的受體是指某一相對于排放源被研究的局部大所謂的受體是指某一相對于排放源被研究的局部大氣環(huán)境。受體模型是研究大氣顆粒物來源的數(shù)學模氣環(huán)境。受體模型是研究大氣顆粒物來源的數(shù)學模型之一。它不考慮顆粒物從排放源到受體傳輸過程型之一。它不考慮顆粒物從排放源到受體傳輸過程中的化學變化和化學反應動力學過程，而是靠測定中的化學變化和化

19、學反應動力學過程，而是靠測定直接從受體處采集樣品的化學組成來推測出它們的直接從受體處采集樣品的化學組成來推測出它們的來源類型，并計算出不同來源類型所占的比例。來源類型，并計算出不同來源類型所占的比例。氣溶膠輻射強迫氣溶膠輻射強迫氣候系統(tǒng)總體趨于平衡狀態(tài)，即地氣系氣候系統(tǒng)總體趨于平衡狀態(tài)，即地氣系統(tǒng)所吸收的太陽輻射應等于向外發(fā)射的統(tǒng)所吸收的太陽輻射應等于向外發(fā)射的紅外長波輻射。如果某種擾動打破了這紅外長波輻射。如果某種擾動打破了這個平衡，氣候系統(tǒng)會調整地表溫度來形個平衡，氣候系統(tǒng)會調整地表溫度來形成新的平衡。為了評估地球氣候系統(tǒng)輻成新的平衡。為了評估地球氣候系統(tǒng)輻射收支的外加擾動，射收支的外加擾

20、動，ipcc引入了輻射強引入了輻射強迫這個概念。迫這個概念。氣溶膠輻射強迫氣溶膠輻射強迫輻射強迫的定義：單位輻射強迫的定義：單位 w/m2全球氣候的變化由地氣系統(tǒng)輻射平衡狀況全球氣候的變化由地氣系統(tǒng)輻射平衡狀況決定。任何對該系統(tǒng)平衡的擾動并因而使決定。任何對該系統(tǒng)平衡的擾動并因而使氣候發(fā)生變化的因子成為輻射強迫因子，氣候發(fā)生變化的因子成為輻射強迫因子，主要有入射太陽輻射；溫室氣體、云和氣主要有入射太陽輻射；溫室氣體、云和氣溶膠等。溶膠等。在描述這些因子對氣候的潛在影響時，往在描述這些因子對氣候的潛在影響時，往往采用往采用“輻射強迫輻射強迫”（radiation forcing）。）。氣溶膠輻射

21、強迫氣溶膠輻射強迫人類活動導致大氣中氣溶膠濃度不斷升高，人類活動導致大氣中氣溶膠濃度不斷升高，一方面導致大氣對太陽光散射作用增強，一方面導致大氣對太陽光散射作用增強，反照率增加，產(chǎn)生負的輻射強迫；另一方反照率增加，產(chǎn)生負的輻射強迫；另一方面吸收太陽輻射，產(chǎn)生正的輻射強迫。面吸收太陽輻射，產(chǎn)生正的輻射強迫。大氣中氣溶膠通過直接和間接輻射強迫兩大氣中氣溶膠通過直接和間接輻射強迫兩種方式影響全球氣候，對全球氣候變化產(chǎn)種方式影響全球氣候，對全球氣候變化產(chǎn)生重大影響。生重大影響。u 直接輻射強迫：氣溶膠通過散射和直接輻射強迫：氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射，產(chǎn)生直接輻射強迫；吸收太陽輻射，產(chǎn)生直接輻射強迫；u 間接輻射強迫：可作為云凝結核，間接輻射強迫：可作為云凝結核，影響云的微物理特性和宏觀云量，影響影響