利用光镊探究SVOC/无机盐/水体系的吸湿与挥发性

确定低挥发性有机化合物的饱和蒸气压对于探究它们在气相中的分配有着重要的意义。该研究展示了一种利用单光束光镊捕获液滴测量SVOC饱和蒸气压的新方法。利用光镊系统捕获半径在3~7μm范围的液滴,并根据麦克斯韦气相传质公式,将悬浮颗粒的半径和由折射率转化的浓度推导出不同RH对应的平衡分压,进而获得SVOC的饱和蒸气压。     

光镊技术研究低湿度下MgSO_4气溶胶的传质受阻过程

MgSO_4气溶胶在相对湿度(RH)40%以下会形成胶态结构,从而出现传质受阻。本研究采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的MgSO_4气溶胶液滴来研究低湿度下不同停留时间对MgSO_4液滴扩散系数的影响。结果表明,不同停留时间后的溶胀过程,均分两段过程进行拟合,第一段的扩散系数比第二段的扩散系数大,且每段的扩散系数随停留时间的增大而减小。     

光吸收法测量颗粒物方法的校准研究

鉴于目前大气悬浮颗粒物的排放日益严重,对全球气候、环境产生重要影响,由于大气悬浮颗粒在特定波长下的吸收和散射,气溶胶颗粒的吸收系数相对较小,因此不能消除光吸收系数测量的散射,难以精确测量吸收系数。本文用大气悬浮颗粒物吸收系数来衡量光在大气传播过程中的强弱,并利用大气悬浮颗粒物吸收系数来估计大气悬浮颗粒物的辐射强度,对如何准确测量悬浮颗粒物吸收系数进行了研究。本研究使用自行研制的自动连续黑碳气溶胶测量系统COSMOS进行测量,精确测量吸收系数。研究结果表明本论文提出的系统和校准方法测量的黑碳气溶胶浓度具有精度高,成本低的优点,其测量结果跟商品化仪器测量结果大致一样。     

多光阱光镊技术对多个液滴捕获和悬浮控制

光镊技术捕获单个液滴并进行受激拉曼测量,在气溶胶动力学过程的研究方面取得了很大进展。然而,对于大气颗粒物之间通过碰撞完成由外混到内混的转变过程的定量分析,需要实现多种液滴同时捕获、操纵、碰并过程的精密观测。本文报道利用多光阱光镊技术对多液滴进行抓获,从而实现液滴之间的碰并复合过程的观测。为了实现多液滴的抓取,我们在单光镊技术的基础上,引进了声光偏转系统(AOD),这是多光阱光镊的核心技术。可以有效的将单光阱转化为多光阱,从而根据需要抓取一定数量的液滴,同时为后期的多液滴光谱测试奠定了基础。     

全内反射瞬逝场照明高精度磁镊及其在DNA解旋酶研究中的应用

传统磁镊的测量精度受限于磁球的布朗涨落, 当磁力小于约10 pN时, 磁球的布朗涨落明显增大, 对应磁镊的空间分辨率显著下降. 为了提高传统磁镊在小力条件下的测量精度, 本文将全内反射荧光技术引入到磁镊技术中, 并建立相适应的“磁球-手柄-荧光微球-待测生物分子”单分子连接系统, 在小力条件下(小于10 pN)获得纳米量级的测量精度. 应用改进的磁镊对DNA发卡的折叠-去折叠态的转变过程进行了研究, 依据DNA发卡的折叠-去折叠态转变的性质对全内反射场的穿透深度进行了校正, 并结合实验结果对改进后的磁镊的测量精度进行分析. 观察了Bloom解旋酶的解旋动力学过程, 获得初步实验结果, 证实了改进的磁镊在单分子研究中的实用性. 关键词： 磁镊 全内反射荧光 DNA发卡 解旋酶     

真空光镊技术与应用

真空光镊是一种能够在真空环境中稳定悬浮微纳颗粒的技术,在近十年中得到广泛关注并被研究改进,已成为能够进行精密测量、微观热力学研究以及宏观量子性探索等工作的重要物理平台.本文回顾了光镊的发展历史,介绍了真空光镊的原理、关键技术,列举了真空光镊的应用方向,最后展望了真空光镊未来的应用前景.     

丁二酸钠和硫酸铵混合气溶胶的光镊受激拉曼光谱研究

采用光镊悬浮技术捕获颗粒尺寸3～8μm的丁二酸钠/硫酸铵混合气溶胶液滴,控制湿度条件、温度条件,通过调节不同相对湿度(RH)并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸。计算结果表明,当液滴尺寸响应完湿度的变化后在RH恒定时,液滴半径仍持续减小,这说明丁二酸钠和硫酸铵之间发生了反应,释放出氨气使得液滴半径减小。     

硫酸铵·硫酸钠复盐体系吸湿性质的光镊研究

大气气溶胶的吸湿性质与云凝结核(CCN)的形成直接相关,对气候变化有重要影响,吸湿性的精确表征对治理大气环境具有重要意义。本研究表征了不同相对湿度条件下(NH4)2SO4·Na2SO4复盐气溶胶颗粒的吸湿性。利用单光束光镊捕获(NH4)2SO4·Na2SO4复盐颗粒,获得了625~665nm范围内的受激拉曼光谱峰并对其进行米氏散射拟合,从而得到时间分辨的颗粒半径及折射率,并将其转化为不同湿度下的组分信息。本研究所应用的方法可以很好地推广到相关体系与研究中。     

适用于测量大气气溶胶吸收系数的光声光谱系统的研究

外部噪声和环境温湿度变化对光声池性能的影响是光声光谱技术在实际大气气溶胶吸收测量应用中遇到的主要问题。详细分析了环境温湿度变化引起的共振频率漂移对光声信号的影响,提出了抑制流动噪声和采样泵振动噪声的方法,研制完成了一套测量大气气溶胶吸收的光声光谱系统,探测极限为1.4×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。利用NO₂气体在532 nm的吸收对光声池进行了标定,并对实际大气气溶胶的吸收特性进行了测量,结果表明光声光谱测量系统可以满足自然悬浮状态下的气溶胶吸收系数的实时测量。     

小型化可调光镊设计

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒,可以进行无损、远程操控,同时具有皮牛精度的测力特性,已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量,是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律,设计具有稳定捕获性能的最小化光镊,并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成,成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性,同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上,可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求,可以很好地满足科研和教学需求。     

Systematic tracking of boundary layer aerosols with laser radar

Atmospheric aerosols exhibit a high degree of variability in their properties and their spatial and temporal distribution. Mapping atmospheric aerosols is of great importance for monitoring the effects of anthropogenic activities and natural processes upon local air quality, as well as for producing accurate input for radiative transfer models. To help enhance our understanding of radiative, physical, chemical, and dynamic processes in the atmosphere, laser radar is used to provide systematic monitoring of the temporal evolution of the aerosol rich boundary layer. The Micro Pulse Lidar (Light Detection and Ranging) System is capable of long-term autonomous mapping of vertical aerosol structure. We present a new automated method for tracking boundary layer height from Micro Pulse Lidar data and show the results of this method for a continuous 16 h study conducted on the east coast of the United States.     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。     

气溶胶对大气CO_2短波红外遥感探测影响的模拟分析

气溶胶引起的光学路径长度改变是影响高分辨率近红外光谱反演大气CO_2浓度的重要误差源.本文利用高精度大气辐射传输模式模拟中国碳卫星观测,结合CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)卫星的气溶胶廓线产品研究了不同特性的气溶胶对卫星观测光谱的影响.模拟结果显示:气溶胶散射引起的光学路径长度改变与气溶胶类型、模态以及垂直分布密切相关;城市型和海洋型气溶胶对观测光谱影响很大;多层分布的积聚模态大陆型和海洋型气溶胶在光学厚度小于0.3时,会引起5%以内的负辐射变化,随光学厚度不断增加会引起正的辐射变化;主要以粗粒子模态存在的气溶胶在不同的垂直分布情况下均会引起辐射的负变化,从而造成CO_2浓度的高估;另外,随气溶胶分布高度变高,负的辐射变化程度会逐渐减小.     

用光镊技术研究硝酸铵气溶胶的挥发性

研究半挥发性气溶胶物质的气粒分配对于更准确地描述大气气溶胶的组成和尺寸分布是至关重要的。硝酸铵是亚微米颗粒物的主要组成部分,特别是在高污染事件中。为了更深入的了解硝酸铵气溶胶的气粒分配问题,利用激光悬浮技术捕获、悬浮半挥发性无机物硝酸铵液滴单颗粒（2～10 μm）,控制相对湿度条件、温度条件,并采集氢-氧振动带的受激拉曼峰位信息,利用非弹性米氏散射理论计算实时液滴半径尺寸、折射率和浓度,利用稳态传质模型Maxwell公式推算出了不同湿度下的蒸汽压。实验数据计算出的硝酸铵的饱和蒸汽压值的数量级与文献报道一致。当RH分别恒定在80%, 73%, 68%, 57.3%, 55.4%, 44.8%时,饱和蒸汽压值为(1.67±0.24)×10-3, (1.82±0.19)×10-3, (2.91±0.13)×10-3, (3.5±0.28)×10-3, (4.59±0.22)×10-3和(6.64±0.3)×10-3 Pa,显然,随着相对湿度的降低,饱和蒸汽压值增大,即湿度降低促进硝酸铵的挥发。此外,还推算了不同湿度下硝酸铵气溶胶液滴的挥发通量,挥发通量值在(4.01±0.79)×10-7～(3.32±0.77)×10-8 mol·(s·m2)-1之间。这对更好的了解气溶胶在挥发过程中的微观过程有重要意义。     

大气折射对可见光波段辐射传输特性的影响

折射是影响辐射传输的重要因素. 为分析大气折射对辐射传输的影响, 基于Monte Carlo方法, 给出了考虑大气折射的矢量辐射传输模型, 实现了均匀气层和耦合面处光子随机运动过程的模拟, 实现了直射光及漫射光Stokes矢量、偏振度和辐射通量等参数的计算. 在考虑和不考虑大气折射两种条件下, 验证了模型的准确性; 在纯瑞利散射条件下, 讨论了大气折射对不同方向漫射光Stokes矢量的影响; 在不同太阳天顶角、大气廓线、气溶胶及含云大气条件下, 分析了大气折射对辐射传输过程的影响. 结果表明: 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响主要体现在天顶角70°–110°区间, 且随着太阳入射角增大, 其影响更为显著; 不同大气廓线情形下, 大气折射对Stokes矢量的影响不一致, 其原因是不同大气廓线对应的折射率廓线存在差异. 含云及含气溶胶大气条件下, 大气折射对辐射传输的影响变弱, 沙尘型及海盐型气溶胶条件下, 折射对辐射传输的影响强于可溶型气溶胶情形; 不同形状气溶胶条件下, 大气折射对辐射传输的影响也存在显著差异; 不同云高条件下, 大气折射对漫射光Stokes矢量的影响无显著差异, 但随着云光学厚度增大, 大气折射的影响减弱.     

Raman激光雷达探测气溶胶光学特性

介绍了武汉大学自行研制的Raman多通道激光雷达系统,给出了整个系统的设计原理及主要技术参量.详细描述了利用Raman激光雷达原理反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等光学特性的方法,并对求解消光系数过程中的关键部分做了讨论分析.同时对武汉上空对流层低空大气气溶胶、云以及边界层等光学特性进行了实时探测反演.实验结果表明:该Raman多通道激光雷达系统在夜晚对低空气溶胶的垂直分布特性具有较好的探测能力,工作性能可靠.     

On the accuracy of double scattering approximation for atmospheric polarization computations

Interpretation of multi-angle spectro-polarimetric data in remote sensing of atmospheric aerosols requires fast and accurate methods of solving the vector radiative transfer equation (VRTE). The single and double scattering approximations could provide an analytical framework for the inversion algorithms and are relatively fast; however accuracy assessments of these approximations for the aerosol atmospheres in the atmospheric window channels have been missing. This paper provides such analysis for a vertically homogeneous aerosol atmosphere with weak and strong asymmetry of scattering. In both cases, the double scattering approximation gives a high accuracy result (relative error ～0.2%) only for the low optical path ～10^?2. As the error rapidly grows with optical thickness, a full VRTE solution is required for the practical remote sensing analysis. It is shown that the scattering anisotropy is not important at low optical thicknesses neither for reflected nor for transmitted polarization components of radiation.     

Retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining ground- and space-based elastic lidars

The aerosol lidar ratio is a key parameter for the retrieval of aerosol optical properties from elastic lidar, which changes largely for aerosols with different chemical and physical properties. We proposed a method for retrieving the aerosol lidar ratio profile by combining simultaneous ground- and space-based elastic lidars. The method was tested by a simulated case and a real case at 532 nm wavelength. The results demonstrated that our method is robust and can obtain accurate lidar ratio and extinction coefficient profiles. Our method can be useful for determining the local and global lidar ratio and validating space-based lidar datasets.     

差分吸收光谱技术监测气溶胶光学厚度及大气能见度的研究

介绍了一种基于闪烁氙灯光源、利用差分光谱吸收(DOAS)技术监测大气气溶胶的新方法。提出用大气能见度确定系统校正参量的可行做法,解决了差分光谱吸收探测气溶胶领域原始光强难以测量的难题。并对350~650 nm范围内的气溶胶光学厚度进行反演,通过与多道太阳光度计的对比证实方法的可行性,实验中发现气溶胶光学厚度与悬浮颗粒物(SPM)浓度具有很好的相关性。同时,利用气溶胶550 nm处的消光系数确定大气能见度。