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气溶胶百科

气溶胶
  气溶胶(aerosol)由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点,其大小为0.001~100微米,分散介质为气体。   天空中的云、雾、尘埃,工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟,采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘,人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。   气溶胶的消除,主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。   霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空...   详细内容>>

  气溶胶(aerosol)由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系,又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点,其大小为0.001~100微米,分散介质为气体。

  天空中的云、雾、尘埃,工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟,采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘,人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。

  气溶胶的消除,主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。

  霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊现象,这里的干尘粒指的是干气溶胶粒子。一般情况下,当能见度在1~10公里时可能既有干气溶胶的影响(即霾的影响),也可能有水滴的贡献(即轻雾的贡献),且不易区分,所以就被称为“雾-霾”现象。由于在实际的大气中没有气溶胶粒子作为云雾的凝结核(或冰核),无法形成雾,所以雾和霾的背后都与气溶胶粒子有关。

  

1特性



  科学发明莱尔·达维·古德休美国气溶胶:凡分散介质为气体的胶体物系成为气溶胶。它们的粒子大小约在100~10000纳米之间,属于粗分散物系。气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒,有的来源于自然界,如火山喷发的烟尘、被风吹起的土壤微粒、海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒、细菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃烧所产生的细小微粒和宇宙尘埃等:有的是由于人类活动,如煤、油及其他矿物燃料的燃烧物质,以及车辆产生的废气排放至空气中的大量烟粒等。当气溶胶的浓度达到足够高时,将对人类健康造成威胁,尤其是对哮喘病人及其他有呼吸进疾病的人群。空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒,这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。

  气溶胶粒子具有分布不均匀、变化尺度小、复杂性的特点,多集中于大气的底层,对云的凝结核、雨滴、冰晶形成,进而对降水的形成起重要作用。气溶胶甚至可以改变云的存在时间,能够在云的表面产生化学反应,决定降雨量的多少,影响大气成分。

  由于气溶胶的分散介质是气体,气体的粘度小,分散相与分散介质的密度差很大,质点相碰时极易粘结以及液体质点的挥发,使气溶胶有其独特的规律性。气溶胶质点有相当大的比表面和表面能,可以使一些在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速,甚至可以引起爆炸,如磨细的糖、淀粉和煤等。

  气溶胶质点能发生光的散射,这是使天空成为蓝色,太阳落山时成为红色的原因。在动力性质方面,其布朗运动非常剧烈,当质点小时具有扩散性质;当质点大时,由于与介质的密度差大,沉降显著。因介质是气体,这些动力性质与气体分子自由路程有关。在电学性质方面,气溶胶粒子没有扩散双电层存在,但可以带电,其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介质的摩擦,所带电荷量不等,且随时间变化;质点既可带正电也可带负电,说明其电性决定于外界条件。在稳定性方面,气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂化层和扩散双电层,相碰时即发生聚结,生成大液滴(雾)或聚集体(烟),此过程进展极其迅速,所以气溶胶是极不稳定的胶体分散体系,但由于布朗运动的存在,也具有一定的相对稳定性。

  

2粒度



  气溶胶仪器描述气溶胶粒度的常用术语是当量直径,即粒子直径的可测量指标。被测的不规则粒子的当量直径就是与之有相同物理性质的球形粒子的直径。一般有空气动力学当量直径、迁移率当量直径、质量当量直径、表面当量直径、扩散当量直径等等。例如,空气动力学直径是与不规则粒子有着相同沉降速率的单位密度(1000kg/m3或1g/cm3)的球形粒子的直径。

  一般说来,半径小于1微米的粒子,大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生成;而较大的粒子,则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的,也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理过程。液体气溶胶微粒一般呈球形,固体微粒则形状不规则,其半径一般为0.001~100微米。粒径在10-1~101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用。

  小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制,而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程中, 受的阻力和重力的作用达到平衡时,各种粒子的沉降速度不同。

  

3基于MODIS影像反演



  自从美国公布了全球PM2.5的分布图,北京等城市的PM2.5含量受到关注,尤其是持续的“雾霾“天气使得市民感到恐慌,预防和治理PM2.5污染迫在眉睫。2012年全国增加了很多监测PM2.5站点,但是地面监测站毕竟不能完全均匀分布在每一个地方,卫星遥感手段以其时效性高、覆盖面广、分辨率高等优势使得快速大面积监测气溶胶情况成为可能。

  MODIS是先进的多光谱遥感传感器,具有36个观测通道,覆盖了当前主要遥感卫星的主要观测数据。利用反演得到的气溶胶光学厚度空间分布数据结合PM2.5实测数据建立相关模型,即可实现PM2.5的遥感监测。该微课堂讲的就是如何基于ENVI 5.0反演气溶胶的光学厚度空间分布。

  气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方面可以将太阳光反射到太空中,从而冷却大气,并会使大气的能见度变坏,另一方面却能通过微粒散射、漫射和吸收一部分太阳辐射,减少地面长波辐射的外逸,使大气升温。

  

4产生分类



  气溶胶按其来源可分为一次气溶胶(以微粒形式直接从发生源进入大气)和二次气溶胶(在大气中由一次污染物转化而生成)两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源,也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。

  自然产生

  天然气溶胶:云、雾、霭、烟、海盐等。

  生物气溶胶:微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质的称为生物气溶胶(bioaerosol),其中含有微生物的称为微生物气溶胶。

  人类产生

  工业化气溶胶:有杀虫剂、消毒剂和卫生消毒剂、洗涤剂和清洁剂、蜡、油漆和发胶。

  食用气溶胶:搅拌过的奶油。

  气溶胶能够引起丁达尔效应

  气溶胶中的粒子具有很多特有的动力性质,光学性质,电学性质。比如布朗运动,光的折射,象彩虹,月晕之类都是因为光线穿过大气层而引起的折射现象.而大气中含有很多的粒子,这些粒子就行成了气溶胶。

  气溶胶在医学,环境科学,军事学方面都有很大的应用。在医学方面应用于治疗呼吸道疾病的粉尘型药的制备,因为粉尘型药粉更能够被呼吸道吸附而有利于疾病的治疗。环境科学方面比如用卫星检测火灾.在军事方面比如烟雾弹之类,还有可以制造气溶胶烟雾来防御激光武器。

  气溶胶的容器内含有两种物质--有待喷射的液态物和保持压力的压缩气体。当揿下按钮时,阀门张开,压缩气体将喷嘴里的一些液态物压出。

  研究历史

  1926年,挪威科学家埃里克·罗西姆首先想出了这个点子。但其他一些科学家也同样有此想法。美国人朱利叶斯·S·可汗想出了一次性使用的金属雾筒。同样来自美国的莱尔·达维·古德休则进一步研制了这一发明,使它成为可以上市的商品。1941年,第一批气溶胶开始销售。

  气溶胶广泛应用于一系列消费品。涂漆、清洁剂、擦光剂、除臭剂、香水、剃须乳剂,甚至掼奶油,都广泛地以气溶胶方式销售。另外,人们还证明它们在卫生保健上也是行之有效的,可用来治疗某些呼吸器官的疾病。

  但也发现了气溶胶存在的一个问题。用于压缩气体的化学药品通常是含氯氟烃(即CFCs),已证明它是对地球大气层上的臭氧层造成损害的一类物质。

  最流行的现代气溶胶压缩气体是二氧化碳气体,它能在气溶胶喷筒内生成。像丙烷、异丁烷这类气体也可使用。

  浓度分布

  气溶胶的浓度,可以用一定体积中微粒的总质量来表示,基本单位是微克/米,也可以用数密度即单位体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可用其粒子数目(n)、粒子表面积(S)、粒子的体积(V)或质量(m)按粒径大小(D)的分布来描述,一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD对lgD的分布图,它们基本上呈正态分布。对于半径(r)在0.1微米和10微米之间的粒子,一般用容格(Junge)分布来表示,即: n(r)=Cr

  式中v近似等于3,C是正比于粒子浓度的常数。但是20世纪70年代以来,有人提出三模态大气气溶胶的分布(爱根核模、积聚模和粗粒子模)。图中还示出它们的粒径范围、主要质量源以及质量的输入或去除的主要过程。由此可见,爱根核范围的粒子是由高温过程或化学过程产生的蒸汽凝结而成;积聚作用范围的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结长大而形成,80%以上的大气硫酸盐微粒属于此模;粗粒子则是由液滴蒸发、机械粉碎等过程形成。细粒子和粗粒子的分界线通常直径为2微米左右。从对人体呼吸道的危害看来,10微米以上的粒子,常阻留在鼻腔和鼻咽喉部;2~10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加,0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。半径小于0.1微米的粒子,其数密度随离地面高度的增加而减小,这表明它们来源于地表;但半径0.1~1微米的粒子,其数密度在对流层顶上部随高度逐渐增加,并且在15~20公里附近出现极大值,形成平流层内的气溶胶层,这层气溶胶可能是火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几,但对于大气的气温有重要的影响。通过大气遥感可探测气溶胶粒子的平均谱分布。

  自从美国公布了全球PM2.5的分布图,北京等城市的PM2.5含量受到关注,尤其是近断时间持续的“雾霾“天气使得市民感到恐慌,预防和治理PM2.5污染迫在眉睫。2012年全国增加了很多监测PM2.5站点,但是地面监测站毕竟不能完全均匀分布在每一个地方,卫星遥感手段以其时效性高、覆盖面广、分辨率高等优势使得快速大面积监测气溶胶情况成为可能。MODIS是先进的多光谱遥感传感器,具有36个观测通道,覆盖了当前主要遥感卫星的主要观测数据。利用反演得到的气溶胶光学厚度空间分布数据结合PM2.5实测数据建立相关模型,即可实现PM2.5的遥感监测。该微课堂讲的就是如何基于ENVI 5.0反演气溶胶的光学厚度空间分布。

  化学组成

  气溶胶的化学组成十分复杂,它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。由于来源不同,形成过程也不同,故其成分不一,特别是城市大气受污染源的影响,气溶胶的成分变动较大。但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定,大体上与地区的土壤成分有关。

  大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐,是气溶胶的主要成分之一。其转化过程尚未完全明白,已知二氧化硫可在均相条件下(在气相中),或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多相条件下(在液相或固相表面上)转化成三氧化硫,再与水反应生成硫酸,并和金属氧化物的微尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素,其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况(见大气微量气体)。

  气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制,尚待研究。气溶胶中有铵离子(NH4+)存在,能与硫酸根离子(SO42-)和硝酸根离子(NO3-)生成铵盐。至于气溶胶中的有机物,更是许多种类有机物的复杂混合物,其中包括稀烃、烷烃、芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯,以及有机氮化物和有机硫化物等。

  气溶胶来源于土壤的各种元素(如铕、钠、钾、钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝等),其含量在地区之间差别不大;而来源于工业区的各种元素(如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等),就有较大的地区差别。

  气溶胶是大气中极其重要的组成部分,它不仅直接影响人类的健康,还能增加大气的化学反应,降低能见度,增加降水、成云和成雾的可能性,影响大气辐射收支,导致环境温度和植物生长速率的改变以及沾污材料。对气溶胶的研究,无论对于大气化学、云和降水物理学、大气光学、大气电学、大气辐射学、气候学、环境医学或者生态学等学科来说,都有重要意义。但气溶胶化学组成的研究仅是开始,还有待于今后发展。

  

5制备方法



  可分为分散法和凝聚法两大类。分散法是借助外力将固体或液体分裂成较小的部分,又分为固体的机械磨碎法和液体喷雾法,所得气溶胶的分散程度往往不高。凝聚法是将分散相物质先分裂成单个分子的物质(即成气体或蒸气状的物质),然后再凝结成胶体大小的质点,因此包含过饱和蒸气的形成和过饱和蒸气的凝聚两个阶段。其关键是得到过饱和蒸气,这可以由蒸气冷却凝聚和化学反应来达到。对每一种物质来说,在一定的温度下,饱和蒸气的最大浓度及其相应的饱和蒸气压,都是一定的,且随温度的降低而减小,因此当蒸气冷却时,过饱和蒸气在凝结中心(或称核心)产生凝聚,形成气溶胶质点。凝结中心可以是尘粒,其他的大气核心、离子和极性分子等,但过饱和度相当高时,蒸气分子本身可凝结而无需核心,利用化学反应可产生蒸气压小的物质,达到过饱和就凝聚。通常所制得的气溶胶质点一般都是多分散的,用气溶胶发生器并控制反应条件可得到单分散的气溶胶。

  

6应用



  气溶胶在工业、农业、国防和其他方面都已得到广泛的应用,如加快燃烧速率和充分利用燃料。喷雾干燥可提高产品质量,已广泛用于医药工业与洗衣粉的生产。农业上,农药的喷洒可提高药效、降低药品的消耗;利用气溶胶进行人工降雨,可大大改善旱情。国防上,用来制造信号弹和遮蔽烟幕。

  工业城市上空的烟雾和工厂、矿井中的烟尘对人体健康危害极大(如硅肺),还有破坏大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉尘,都和气溶胶有关。

  

7影响



  全球变暖

  研究称气溶胶对全球变暖的“冷却效应”很微弱。一位挪威科学家表示,他已经估测出了气溶胶到底能对气候产生多大影响。

  散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效应,进而可以“遮蔽”全球变暖的影响。而这位挪威科学家的研究项目的目的是要综合运用反应这种“直接气溶胶效应”的各类模型和观测结果,以准确评估这一冷却效应的作用。

  据英国广播公司消息,挪威国际气候和环境研究中心的气候科学家冈纳·迈尔(Gunnar Myhre)在《科学》杂志上报告说,他的研究发现冷却效应并不像此前研究预测的那么强烈。迈尔说,这能清楚地表明到目前为止人类到底给气候带来了多大的改变。他研究的污染微粒包括硫酸盐等工业气溶胶、燃烧农业废弃物所排放的硝酸盐以及柴油发动机和其它燃烧形式所产生的黑碳(煤烟)。“气溶胶排放的全球模型显示,温室气体造成的全球变暖有大约10%被它们(气溶胶)的冷却效应消除了。”参与该项研究的英国气象局气溶胶研究员吉姆·海伍德(Jim Haywood)解释说,“但利用卫星手段探测到的大气气溶胶的含量却表明,冷却效应消除了大约20%(的全球变暖)。”

  迈尔协调了两种方法,最终得到了一个更为精确的评估数据——冷却效应接近10%。这一结果比联合国政府间气候变化专家委员会(IPCC)此前所预测的要弱。“硫酸盐和有机碳反射太阳辐射,而黑碳在很大程度上却会吸收太阳辐射。”他解释说。“模型考虑到了黑碳(排放)增幅多于其它两种气溶胶的情况。但基于观测的方法却难以将其考虑在内,因为我们只有针对当前状况的观测数据,而且不是在人类活动开始之前的。这将对以后的气候预测产生影响。”海伍德说。

  不过,气溶胶对气候的影响远不止于此。气溶胶微粒会改变云层,增加大气中液滴浓度,从而增加云量。迈尔说,这种“间接气溶胶效应”引起的遮蔽或者冷却作用仍然存在“很多不确定”。海伍德对此表示同意。“气溶胶对云量的影响让我们很伤脑筋,”他说,“这给我们的数据采集留下了一个大空白。”他和英国气象局的同事已经开始研究是否可以利用气溶胶来有意地遏制全球变暖。

  在最近的一项研究中,他通过气候模型来预测,利用海盐颗粒增加云层的反照率这种故意使云层变亮的手段将对全球气温产生什么样的影响。研究小组发现,全球变暖将被延缓多达25年,但他们同时发现,这种方法也会带来很多不利影响。研究人员说,其中最严重的后果就是,南美地区的降雨量将大幅减少,这很可能会加速亚马逊雨林的枯萎,给这一世界主要碳汇造成损失。“采用这种方法,你必须非常谨慎地选择云层。”海伍德说。迈尔指出,同温室气体相比,气溶胶对气候的影响最终将变得无足轻重。

  “气溶胶的寿命很短,而温室气体的寿命却很长——二氧化碳可以存在100多年。”他说,“在将来,温室气体才是全球变暖真正的大问题。它们的影响将越来越重要。”

  

8研究进展



  气溶胶产生过程

  据一项研究报告,在芬兰Hyytiälä北方森林中的实地研究及在实验室中的试验揭示了气体分子是如何形成大气气溶胶的。这些发现可能就新气溶胶形成对大气气溶胶预算的作用及其对气候的影响有所启示。

  大多数的气溶胶——它们是来自火山、尘埃、污染物及其它来源的极小的在空气中传播的颗粒——是从它们本身的环境中产生的,而不是从陆地、海洋或太空被完整直接地运输过来的。这些气溶胶来自一种增长过程,它开始时为大气中的分子及分子簇,它的尺寸随着其获取其它分子、分子簇和颗粒而变得越来越大。

  在二十世纪90年代,科学家们已经发现了大气颗粒形成机制的线索,但在那时要知道其确切的机制是不可能的,因为他们没有足够的能力来检测微小颗粒以观察这一过程的肇始。

  Markku Kulmala及其同事研发了敏感的新技术,使得人们能够检测并对这些细小的起源物进行计数,从而使人们能够详细地勾勒出气溶胶形成的过程。研究人员发现,气溶胶形成的起始步骤是以直径小于2纳米的集簇物开始,而硫酸及有机分子是颗粒增长过程的关键成分。研究人员发现,硫酸和像碳这样的有机分子会连接在一起形成一种关键性的集簇物,它会增长成为一个气溶胶颗粒。集簇物足够稳定的积聚以实现持续增长是气溶胶形成的关键。

  理解气溶胶是如何形成的对了解这些颗粒对气候变化的影响是至关重要的。[3]

  

9研究单位



  北京大学

  复旦大学

  北京师范大学

  南开大学

  南京大学

  南京信息工程大学

  兰州大学

  吉林大学

  清华大学

  云南大学

  中科院大气物理研究所

  中科院城市环境研究所

  中国科学院地理科学与资源研究所

  中国环境科学研究院等科研院所
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