大氣氣溶膠研究的前沿問題課件

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10-3~102m之間。大氣氣溶膠研究的前沿問題

很多過程可以產生氣溶膠，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、工農業(yè)生產活動等[1]。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SO2和NOx，SO2和NOx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。來自自然源的氣溶膠如沙塵，也由于人類活動土地利用變化而發(fā)生著改變。盡管氣溶膠只是地球大氣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.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（≤10m）。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(10-7m)，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、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(AerosolCharacterizationExperiment-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2000－2010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過程、輻射效應及全球氣候的模型。2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0.5~1.6w/m2。應該注意，不同的研究者根據(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。3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10~20億噸，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15~20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+0.5W/M2到-0.7W/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，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，從而對硫酸鹽的分布產生影響。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