大气气溶胶研究进展-吸湿性及酸度

1、主要内容1 大气气溶胶吸湿性质研究进展1.1 吸湿性质研究的意义1.2 国内外研究方法及主要结论1.3 未来展望2 大气气溶胶酸度的研究进展2.1 酸度研究的意义2.2 酸度变化规律及影响因素2.3 国内大气气溶胶酸度研究现状2.4 未来展望1.1吸湿性研究的意义 大气气溶胶的化学组分按吸湿性可分为亲水性气溶胶和憎水性气溶胶。硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等无机成分及部分吸湿性有机物主要是碳黑及部分有机物 对大气能见度的影响 对人体健康的影响对颗粒物酸度的影响大气气溶胶各化学组分会随着大气相对湿度（RH）的变化发生潮解、风化过程，使得单个大气颗粒物的粒径、质量、密度等微物理参数发生变化，致使气溶胶

2、粒子群宏观上的物理、化学、光学性质发生变化。从微观上，一个干粒子吸湿后，其粒径有明显的增 长，而其密度、折射指数单调减小；根据米（Mie)散射理论，前向散射迅速增大，这必将改变颗粒物的辐射特性参数，进而影响大气能见度及地球表面、大气顶层的辐射强迫。一方面，大气颗粒物由鼻腔吸入，在呼吸道内9999.5相对湿度的影响下,颗粒物尤其是硫酸盐等易溶于水的颗粒物将在9ns的时间内完全长大，其粒径增长可在3 6倍之间。另一方面，颗粒物粒径的大小与其沉降速度、位置又有密切关系。所以颗粒物的吸湿性质对大气气溶胶在人体呼吸道中的沉降量、沉降位置等具有深远的影响。大气气溶胶的酸度程度与周围大气环境的RH密切相关（

3、于凤莲，2001）。北京和重庆污染程度接近，大气中SO2的浓度都很高，但北京很少有酸雨产生，而重庆确是我国的酸雨中心，这是因为，北京除了夏季外天气通常是干旱少雨的，在夏季七月份的可以达到，而其他季节差不多只有，而重庆的通常在 之间，气溶胶极易发生液相化学反应而被酸化。在一些城市气溶胶研究中也发现高的可以促进硫酸及硫酸盐的生成，从而增强粒子群的酸性。.国内外研究方法及主要结论实验室研究 原理：利用单颗粒悬浮技术分析常见化学物种的粒径增长系数。在单粒子悬浮腔室，单粒子带电克服重力做功使得粒子时刻处于悬浮状态。改变电磁场内的RH，颗粒物将吸湿长大、自身的重量增加，这时必须增加电磁场两端的电压，使颗粒

4、物达到力学平衡。而电压信号直接输出到计算机，最后得到RH与颗粒物质量、粒径、密度的函数关系曲线。 优点：撇开了复杂的环境体系，使问题简单化，为处理复杂的问题打下基础。 缺点：研究对象多为单一化学物种，实际环境大气中，单一化学物种是很难存在的。 .国内外研究方法及主要结论外场观测 观测的方法主要主要有：双电迁移性颗粒物吸湿粒径分析仪、电迁移性颗粒物吸湿粒径分析仪和浊度计串联、并联分别观测颗粒物的粒径、散射系数的变化。 a.双电迁移性颗粒物吸湿粒径分析仪 原理：颗粒物通过采样口，经过采样器成为干燥粒子，然后进入微分迁移率分析仪1和凝结粒子计数器1，然后进入加湿系统，颗粒物吸湿长大后进入微分迁移率分

5、析仪2和凝结粒子计数器2，完成一个测试循环。 优点：对颗粒物由小到大的粒子的吸湿增长情况进行了“全扫描”，能考虑不同模态粒子的粒径增长因子的变化规律。 缺点：假设粒子总个数不会变化，变化的仅是粒径大小，这与事实不符。.国内外研究方法及主要结论 b. 串联、并联浊度计的方法原理：串联-颗粒物首先经干燥管进入第一台浊度计测其散射系数，经过可程序控制的加湿系统颗粒物吸湿增长，进入第二台浊度计测其吸湿后的散射系数，最后利用公式计算其散射吸湿增长因子。 并联-两台浊度计独立的抽取环境大气进行监测，其中一台前端安装自动加湿装置，两仪器观测值的比较得到气溶胶的散射吸湿增长因子。优点：能直接测量气溶胶散射性质

6、随环境相对湿度的变化。缺点：浊度计腔体内的RH很难控制。.国内外研究方法及主要结论主要结论：程雅芳(2007)基于外场实验观测值，利用3组分光学平衡球形气溶胶模型研究了水汽对广州新垦地区气溶胶光散射、单次散射反照率的影响，结果表明随着RH从30%增长到80%90%，散射系数可以增1.542.31倍；李子华和徐晓萍（1996）和李子华等（2000）根据在重庆的实测气溶胶资料，研究了RH对气溶胶粒子短波辐射特性的影响， 结果显示：考虑和不考虑RH的影响可以使计算得到的大气增温率偏差达1.0以上。但张立盛和石广玉（2000）利用已有的气溶胶折射指数资料，计算了在不同RH条件下的硫酸盐气溶胶全球辐射特

7、性，结果与以往的研究结果有一些明显的不同，即考虑RH的影响后全球平均辐射强迫有所减小，其根本原因在于随着RH的增加，粒子的质量消光效率在减小，不对称因子有所增大，单次散射反照率变化不明显，因此其导致的整体效应是辐射强迫减小。.3未来展望（1）必须开展大气中常见化学物种及其混合物的水溶性增长机制实验室基础理论研究，定量研究亲水性化合物的吸湿能力及亲水性、憎水性化合物混合状态对颗粒物水溶性质及光学性质的影响。（2）开展气溶胶吸湿性质的立体监测及其对我国区域和全球气候变化影响的研究，为制定我国可持续发展战略提供科技支撑。（3）基于大气化学组分的气溶胶吸湿性质闭合试验，建立地基国家大气物理颗粒物化学组

8、分大气能见度大气辐射强迫综合监测网，对颗粒物进行长期稳定的物理、化学、光学特性的观测，强化地面立体观测与数值同化研究的接合。2.1 酸度研究的意义 大气气溶胶酸度影响大气酸沉降的发生，有研究表明：大气气溶胶酸度较高时，其酸化缓冲能力往往较低影响酸雨的形成，同时还影响大气化学反应，影响大气污染物的转化，此外，酸性的气溶胶粒子易形成灰霾，导致大气能见度降低，危害人体健康。2.2 酸度变化规律及影响因素 大气气溶胶酸度通常呈现出粒径越小，酸度越高的规律，主要是因为酸性前体物SO2和NOx氧化生成的硫酸盐和硝酸盐二次气溶胶主要存在于粒径较小的细粒子中，所以有机细粒子的酸度较高；而粗粒子主要来源于土壤扬

9、尘和风沙扬尘等自然过程，常含一些碱性物质，因此粗粒子的酸度较低。 大气气溶胶酸度夏季高，冬春季较低，这可能是因为SO2和NOx在高温时易被氧化成影响气溶胶酸度的主要物质硫酸和硝酸，并转化为气溶胶粒子或吸附积累于气溶胶中，导致大气气溶胶酸度夏季高，冬春季低的规律。2.3 国内大气气溶胶酸度研究现状 王玮等对北京地区的沙尘暴天气研究表明，TSP，PM10的酸度很低，有很强的酸化缓冲能力。王同桂等对重庆市7个区域的大气气溶胶酸度和酸化缓冲能力进行同时监测，证实重庆气溶胶细粒子酸性大于气溶胶粗粒子酸性，PM10的酸度高于TSP的酸度，并且气溶胶酸度在秋季较高。吴学英等对辽宁凤凰城的PM10的酸度研究发

10、现，大气气溶胶PM10具有一定的酸度，酸化缓冲能力很低。 我国针对不同粒径的气溶胶的酸度情况做了很多工作，最近几年，逐渐开始关注大气气溶胶酸度源的研究。对我国大气气溶胶的季节性变化规律还没有作系统研究，对影响大气气溶胶酸度的源解析技术研究还很少，而且，在研究气溶胶酸性时，所采用的采样系统很少考虑相关气体对气溶胶酸性的影响。2.4 未来展望下面几个问题将是今后进一步研究的重点：（1）大气气溶胶酸度的分布规律与来源解析研究（2）大气气溶胶酸度对酸沉降影响的作用机制研究（3）大气气溶胶酸度对灰霾影响的作用机制研究（4）大气气溶胶酸度研究相关的采样系统的改进与采样规 范的制定（5）大气气溶胶酸度在大气

11、非均相化学反应中的作用机制 研究参考文献1 汪安璞,大气气溶胶研究新动向J.环境化学,1999,18(1):10-142 IGAC计划大气气溶胶研究进展.地球科学进展,1997,12(5):468-4733 刘菁,张建强,张玉玉.成都工业区大气气溶胶特征及来源.西南交通大学学 报,2006,41(6）：783-7874 于国光,王铁冠,等.北京市大气气溶胶中多环芳烃的研究J.2008,37(1):72-785 毛节泰,张军华,王美华.中国大气气溶胶研究综述J.2002,60(5)625-6346 刘新罡,张远航.大气气溶胶吸湿性质国内外研究进展J.2010,15(6):808-8167 王玮,王英,苏红梅,等.北京市沙尘暴天气大气