气溶胶化学-精选课件

1、气溶胶化学于兴娜大气物理学院大气气溶胶的基本特征大气气溶胶的化学组成、来源与贡献大气气溶胶的辐射强迫主要内容 定义： 液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成相对稳定的悬浮体系。 液体或固体微粒（即颗粒物或粒子）是指空气动力学直径为0.003100 m的液滴或固态粒子。形状：很复杂 液体颗粒物近似于球形，固体颗粒物多不规则，有片状、柱状、雪花状、针状等等。大气气溶胶的基本特征北京市典型烟尘集合体的TEM图像 （a.链状;b.簇状)表面光滑的飞灰表面吸附超细颗粒的飞灰 矿物颗粒石英硫酸盐 粒径： 1. 光学等效直径： 如果所研究不规则形状的粒子与直径为Dp的球形粒子具有相同的光散射能力，则定义Dp为

2、所研究粒子的光学等效直径。 2. 体积等效直径或几何直径： 如果所研究不规则形状的粒子与直径为Dp的球形粒子具有相同的体积，则定义Dp为所研究粒子的体积等效直径。 3. 空气动力学等效直径： 与所研究的粒子有相同终端降落速率,密度为1 g/cm3 的球体直径。分类： 1.按颗粒物成因分: 分散性气溶胶：指固态或液态物质经粉碎、喷射形成微小粒子分散在大气中形成的气溶胶，如海浪分溅、农药喷洒等。 凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶。分类： 2.按颗粒物的物理状态分: 固态：烟、尘 液态：雾 固液混合：霾、烟雾 3.按粒径大小分： 环境部门 大气科学(云降水物理) (一

3、) 环境部门1. 总悬浮颗粒物：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。用TSP表示。其粒径多在100 m以下，尤以10 m以下的为最多。2. 飘尘：可在大气中长期漂浮的粒子，其粒径主要是小于10 m。3. 降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。在TSP中直径大于30 m的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘。4. 可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子。目前国际标准化组织(ISO)建议将其定为Dp10 m。5. 细粒子：其粒径小于2.5 m。中国环境空气质量标准中PM10的相关标准取值时间浓度限值（mg/m3）一级标准二级标准

4、三级标准年均值0.040.100.15日均值0.050.150.25美国环保局2019年提出、2019年通过了PM2.5国家环境空气质量标准，规定PM2.5的年均浓度和日均浓度限值分别为15和65 g/m3。地点观测时间质量浓度参考文献北京2019.7-2000.9夏季76He et al. (2019)北京2019.7-2000.9冬季176He et al. (2019)太原2019.12216.7Meng et al. (2019)南京2019149.0王荟等. (2019)上海2019.9-2019.194.64Wang et al. (2019)广州2019.1-2 105.9Cao

5、 et al. (2019)青岛2019-200043.6Hu et al. (2019)厦门199340.0Gao et al. (2019)大连201967.5Takami et al. (2019)香港2019.1-254.5Cao et al. (2019)珠海2019.1-259.3Cao et al. (2019)不同地区PM2.5的平均质量浓度（g/m3） (二)按大气科学分为： 爱根核(爱根核模)： Dp0.05 m 大核(积聚模) ： 0.05 mDp2 m粗粒子2 m; 细粒子2 mWhitby提出三模态模型：爱根核模（Dp0.05 m）：主要来源于燃烧产生的一次气溶胶，以

6、及气体分子通过化学反应均相成核而生成的二次气溶胶粒子。特点：粒径小、数量多、表面积大而不稳定，易相互碰撞凝聚成大粒子而转入积聚模（老化）,寿命较短（1 hr）。 Whitby提出三模态模型：积聚模（0.05 m Dp2 m)：源于机械过程所造成的扬尘、海盐飞沫、火山灰和风沙等一次气溶胶粒子。特点：主要靠干湿沉降去除，寿命较短（min/小时/天）。相关概念一次气溶胶：由排放源直接排放到大气中的颗粒物。二次气溶胶：通过与气体组分的化学反应生成的颗粒物。均质气溶胶：所有颗粒物的化学组成相同。单谱气溶胶：所有的颗粒物粒径大小相同。多谱气溶胶：多种粒径大小的颗粒物。大气气溶胶的浓度表示方法数浓度：个/c

7、m3表面积浓度：m2. cm-3体积浓度： m3. cm-3质量浓度： mg. m-3; g. m-3气溶胶的来源大气气溶胶的来源复杂，按照产生的过程分为自然源和人为源。自然源主要来自于洋面气泡的破裂、土壤的风蚀、生物的孢子花粉以及火山爆发、森林火灾等。人为源主要来自化石燃料燃烧、工农业生产活动等；人为排放气态污染物在一定条件下的气粒转化过程也是大气气溶胶的一个重要来源。气溶胶的汇大气气溶胶主要是通过干、湿沉降的方式去除。（1）干沉降：重力作用或与地面其他物体碰撞后沉降。（2）湿沉降： 雨除 ：气溶胶作为CCN成为云滴中心，通过凝结和碰并，云滴增长为雨滴（若T PM2.5 ；沙尘事件期间地壳元

8、素浓度呈现出自西向东减弱的趋势。 沙尘天气时的地壳元素浓度要明显高于非沙尘天气。沙尘天气时Seoul PM10中Al和Ca的浓度约为非沙尘的3.4倍；Gwangju 中的浓度为非沙尘的5-6倍。 图5. 沙尘与非沙尘期间的元素浓度对比气溶胶来源解析根据采样所得样品的化学成分，分析其来源。1、相对浓度法：监测浓度与某一标准浓度之比，得到相对浓度。Xii1，污染较重。综合几种组分，可以定性判断污染源贡献的程度。常选Fe, Si, Al等作为参考元素，指地壳源。a)b)2. 富集因子法：特点：能消除采样过程中各种不定因素的影响。可推测污染物在某一地区富集的程度以及污染源受天然或人为污染的程度；但它给

9、不出各种不同类型污染源相对贡献的定量结果，只能做出定性的判断。2. 富集因子法：首先选定一种环境中存在的相对稳定的元素R作参比元素，用颗粒物中待考查元素i与参比元素R的相对含量(xi/xR)颗粒物和地壳中相对应元素i和R的相对含量(xi/xR)地壳，按下式求得富集因子(EF)： 如果颗粒物中某元素相对地壳的EF较大时，表明该元素有了适当的富集，某元素的富集因子小于10时，可认为相对应地壳来源没有富集，它们主要是由土壤或岩石风化的颗粒物所组成的； 如果富集因子在10104范围，则可认为该元素被富集了，表明元素含量不仅有地壳物质的贡献，也与人类活动有关。 通常选择地壳中普遍大量存在的、人为污染源很

10、小、化学稳定性好、挥发性低且易于分析的元素，通常多选用Fe，Al或Si等。参比元素的选择研究海洋上空颗粒物时，常选Na作参比元素。近年来有人用Sc作参比元素。虽然Sc的地壳丰度很小，但由于它的人为污染源较少，且化学稳定性好，挥发性也较低，与Fe，Al之间有很强的相关性。3、相关分析法： 富集因子法揭示的是粒子与参考源的差异，而相关分析则可以得到元素间的关连性。 相关分析不限于粒子的化学量，也可以考察气溶胶的物理性质(如颗粒物大小，散射截面等)，气象条件(如温、湿、风、能见度等)与化学组成的内在联系及其规律。相关分析法计算物种间的相关系数，当相关系数值很高时，说明这些物种可能有相同的来源。4、化

11、学元素平衡法(CEB) ：化学元素平衡法是在已经确定了对气溶胶有贡献的源的各种类型，并在给出了各种源的详细化学组分的基础上，根据取得的气溶胶样本的化学组分，去求各源的贡献。它基于质量平衡原理，对给定的气溶胶样品中元素i的监测浓度(重量百分比)Ci： 所谓的受体是指某一相对于排放源被研究的局部大气环境。受体模型是研究大气颗粒物来源的数学模型之一。它不考虑颗粒物从排放源到受体传输过程中的化学变化和化学反应动力学过程，而是靠测定直接从受体处采集样品的化学组成来推测出它们的来源类型，并计算出不同来源类型所占的比例。气溶胶辐射强迫气候系统总体趋于平衡状态，即地气系统所吸收的太阳辐射应等于向外发射的红外长

12、波辐射。如果某种扰动打破了这个平衡，气候系统会调整地表温度来形成新的平衡。为了评估地球气候系统辐射收支的外加扰动，IPCC引入了辐射强迫这个概念。气溶胶辐射强迫辐射强迫的定义：单位 W/m2全球气候的变化由地气系统辐射平衡状况决定。任何对该系统平衡的扰动并因而使气候发生变化的因子成为辐射强迫因子，主要有入射太阳辐射；温室气体、云和气溶胶等。在描述这些因子对气候的潜在影响时，往往采用“辐射强迫”（radiation forcing）。气溶胶辐射强迫人类活动导致大气中气溶胶浓度不断升高，一方面导致大气对太阳光散射作用增强，反照率增加，产生负的辐射强迫；另一方面吸收太阳辐射，产生正的辐射强迫。大气中气溶胶通过直接和间接辐射强迫两种方式影响全球气候，对全球气候变化产生重大影响。 直接辐射强迫：气溶胶通过散射和吸收太阳辐射，产生直接辐射强迫； 间接辐射强迫：可作为云凝结核，影响云的微物理特性和宏观云量，影响地气系统的水循环，产生更加复杂和不确定的间接辐射强迫。 气溶胶辐射强迫气溶胶辐射强迫与温室气体的辐射强迫比较：1.对流层大气中气溶胶的生命周期很短，导致空间分布高度不均，而且与排放源有关；2.气溶胶直接辐射强迫是散射太阳短波辐射的过程，主要在白天和夏季起主导作用。即具有明显的日变化和季节变化。3.气溶胶的直