空气中带电微粒的成核机理

大气中臭气层的减薄与雾霾的形成密切相关:紫外线照射下,煤燃烧和汽车排出的SO2和CO发生两次连续反应:CO和O2反应生成臭氧,臭氧与SO2和H2O反应生成H2SO4!H2O气溶胶分子;气溶胶分子受周围极性小分子的屏蔽形成了等离子屏蔽势,当极性小分子在两个气溶胶微粒间的等效诱导电荷量达到气溶胶所带电荷量的1/4时,气溶胶微粒将发生聚集.空气中极性小分子的电荷量增大或浓度增大时会导致气溶胶微粒间的吸引力增强,颗粒增大.气溶胶吸附微小固体颗粒形成了雾霾.     

卤化钠对丙二酸气溶胶颗粒水溶特性影响机理研究

大气中水蒸气会影响气溶胶颗粒的生长演化动力学特性,从而改变其环境效应。当前,对包含有机组分气溶胶颗粒与水相互作用机理的认识还很局限.本文建立了纯有机气溶胶和有机-无机混合气溶胶颗粒水溶特性研究分子动力学模型,分别模拟了不同温度条件下不同卤化钠盐(NaI/NaCl/NaF)对丙二酸(C_3H_4O_4)团簇水溶特性的影响情况。重点分析了各影响因素作用下团簇结构和气粒界面特性。结果表明,温度升高,C_3H_4O_4-H_2O团簇相继出现分层结构和混合结构,加入40个卤化钠分子后,水分子对初始团簇溶解程度的排序为40 NaF40 NaCl0 NaX40 NaI,且差异随着温度的升高而变大。高温(T=300 K)时,各种团簇的表面均包含C_3H_4O_4分子和H_2O分子,且C_3H_4O_4分子的疏水基朝向气相一侧.     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

(NH4)2SO4，NH4NO3和(NH4)2SO4/NH4NO3混合气溶胶吸湿质量增长因子的快速测量方法

气溶胶颗粒的吸湿性决定了其尺寸、浓度、化学组成以及相态,从而显著影响着全球气候、大气异相化学以及人类健康。运用在线、原位、连续扫描衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）技术, 结合线性湿度（RH）控制系统,实现了RH连续变化条件下气溶胶FTIR-ATR光谱的快速测量。根据水弯曲振动谱带（~1 640 cm-1）峰面积随RH的变化,得到了(NH₄)₂SO₄,NH₄NO₃和(NH₄)₂SO₄/NH₄NO₃混合气溶胶的质量增长因子（MGFs）、潮解点（DRH）和风化点（ERH）。与气溶胶的E-AIM模型预测值相比较,实验结果表现出良好的一致性,证实该方法是一种测量大气气溶胶MGFs,ERH和DRH的快速测量方法。     

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。     

基于无人机探测大柴旦地区近地层气溶胶特征

通过改装多旋翼无人机（UAV）和搭载各类载荷以及联合地基观测设备对大柴旦地区大气、环境以及气溶胶参数进行测量。利用获得的数据资料，对该地区近地层气溶胶粒子数浓度（即单位体积空气中气溶胶粒子的数目）、消光系数以及气象要素等特征进行了分析。结果表明，在大柴旦地区，近地层气溶胶粒子数浓度日变化显著，呈现双峰形态，气溶胶粒子数浓度的变化范围为75～220 cm^-3,消光系数的变化范围为0.004～0.038 km^-1;当风速小于6 m/s时，气溶胶粒子数浓度与风速呈负相关关系；当风速大于6 m/s时，二者呈正相关关系；相对湿度对气溶胶粒子的影响较小，这可能是由于该地区以沙尘型气溶胶为主，吸湿性较弱。本研究基于多旋翼无人机探测平台，可以有效地获得近地层精细化大气、环境结构，有助于研究人员了解该地区气溶胶的结构、变化特征以及建立气溶胶模式，同时也为气溶胶及大气环境参数探测方法提供了技术支撑及思路拓展。     

大气可吸入肺纳米颗粒的SEM及X射线微分析研究

以大气中可吸入肺纳米颗粒为研究对象,利用场发射扫描电子显微镜(FSEM)和X射线能谱仪对其形态和常量组分进行了系统研究。研究结果表明：大气可吸入物中的纳米颗粒大多为类球与椭球形,表面较为光滑,结构紧密,较小的纳米颗粒聚集成团呈松散絮状,粒度大小约在30～100 nm之间,纳米颗粒物中含有的常量元素同大颗粒污染物基本一致,主要含有C,O,Al,Si,Na,Mg,K,Ca,Fe,S,Cl等元素,能量色谱仪(EDS)的点分析研究证实一些纳米颗粒物中Cl和S元素的含量明显增大,而另一些颗粒主要为C和O元素,分析其原因,认为主要是气溶胶在形成过程中,以纳米无机灰尘颗粒为中心表面吸附了大气污染物中的有机排放物所致,从而形成了具有核壳结构的纳米颗粒污染物。因此,减少人为有机污染物的排放,对于减少可吸入肺有害纳米颗粒的形成具有很大的影响。     

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。     

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。     

大气可吸入颗粒物中锐钛矿的发现及意义

激光拉曼微探针(laser Raman microprobe,简称LRM)能将激光聚焦在1 μm2的极小区域进行分子成分和结构的微区分析,是一种可靠的物相鉴定手段,非常适用于单个微小颗粒物的物相鉴定。文章利用LRM对北京市大气可吸入颗粒物(PM₁₀)进行单颗粒物相分析 将实验图谱与Renishaw矿物与无机材料拉曼光谱数据库中标准图谱进行对比,通过简正坐标分析对谱带进行指认和对各谱峰分子类型及振动模进行归属,首次在PM₁₀中发现了锐钛矿型TiO₂,其实验图谱具有638 cm-1处的较强峰以及398和517 cm-1处中等强度峰,为O—Ti—O特征振动,确认了大气中富Ti颗粒的矿物物相为锐钛矿型TiO₂。锐钛矿型TiO₂是一种重要的光催化剂,锐钛矿与其他矿物颗粒(尤其是含Ca碳酸盐)的聚集能够加剧非均相反应的发生。锐钛矿的晶体结构及所处大气环境的相对湿度和pH值对其光催化反应有重要影响。     

脉动相对湿度方法观测由体相及界面控制的气溶胶传质过程

设计搭建了可以控制样品室内相对湿度发生脉动式变化的压力控制装置。将这种装置与真空红外快速扫描技术联用,采集的时间分辨傅里叶变换红外光谱可以提供在亚秒时间尺度内,脉动相对湿度的准确数值以及湿度变化过程中气溶胶颗粒的含水量。分析这些数据可以了解相对湿度脉动变化过程中气溶胶的动态吸湿特性。选择硝酸钠,硫酸镁和硝酸镁三种无机盐气溶胶为研究对象,比较了他们在相对湿度发生脉动变化和准稳态变化条件下的吸湿特性。结果发现,实验0.12 s的时间分辨率下不足以观察到水在硝酸钠气溶胶和环境之间的传质受阻过程。而对于老化的硫酸镁气溶胶颗粒,胶态的形成减缓了水的扩散速率,体相传质成为速控步骤。对于老化的硝酸镁气溶胶颗粒,由于在颗粒表面难溶物的生成和富集,使得界面水的传质速率成为气溶胶与环境发生传质的决定性因素。这证明脉动压力变化装置与快速扫描真空红外联用可以有效便捷地观测区分体相和界面控制的气溶胶传质过程。     

光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用

有机气溶胶的热/动力学研究是多学科交叉的前沿研究领域,其核心问题主要是非理想混合包括挥发性、液-液相分离、非平衡传质动力学等,精确测量这些过程相关理化参数是目前研究的瓶颈。光镊系统可以悬浮气溶胶单颗粒,获得高信噪比受激拉曼光谱,在研究气溶胶物理化学性质与其大气效应中具有独到优势。被广泛用于有机及其与无机混合体系气溶胶的吸湿性、挥发性、水传质动力学、液-液相分离过程研究中。本文综述了激光悬浮气溶胶单颗粒技术的研究进展,主要包括光镊技术的原理和技术手段,以及在气溶胶关键物理化学参数测量中的应用。通过光镊系统,一方面可以获得重要理化参数的精确结果,另一方面可以对实际环境中悬浮液滴的状态进行模拟测量,从而为大气科学的研究与污染治理提供重要支撑。     

Simplified classification of atmospheric charged particles

One of the most important problems on the atmospheric studies is electrostatic interaction between atmospheric cluster ions and aerosol particles.Atmospheric ions are currently classified into 5 overlapping categories having mobilities ranging from 1.3 cm² V^?1 s^?1 to less than 0.004 cm² V^?1 s^?1.We have considered charged ultrafine aerosols and cluster ions as charged atmospheric particles. This classification can be used in the interpretation of electrostatic interactions among these particles.Attachment processes between ultrafine aerosols can be considered as recombination processes between charged atmospheric particles. Atmospheric particles are grouped into two categories, but the number of recombination and attachment coefficients is not reduced.     

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.     

Iron-containing atmospheric aerosols

The Mössbauer spectroscopy was applied to study the structure of iron-containing particles of atmospheric aerosols. From the temperature dependence of the Mössbauer spectra it was concluded that iron appears in atmospheric aerosol mostly in the form of ultrafine, superparamagnetic particles of Fe₂O₃. The analysis of the quadrupole splitting distributions provides information on the differences of particle sizes in aerosols collected in different geographical locations.     

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.     

Effect of the relative humidity on the attenuation of optical radiation by aerosols in the atmosphere

On the basis of a study concerning the optical transparency of atmospheric mists, an analysis is made of the relation between the attenuation by aerosols and the relative air humidity under autumn conditions (radiation wavelengths within the 0.56–12.0 Μ range). It is shown that the attenuation coefficient changes nonmonotonically as the humidity increases from 40 to 100%. Hypothetical mechanisms of interaction between aerosol particles and water vapor are suggested which would explain this trend.     

Formation of the H2SO4 ·HSO−4 dimer in the atmosphere as a function of conditions: a simulation study

ABSTRACT

The detailed structure and clustering free energy of aerosol particles are important for understanding of new particle formation from molecules and ions in the atmosphere. In this paper, configurations of the H₂SO₄ ·HSO^?₄ dimer were sampled with meta-dynamics aided ab initio molecular dynamics (MTD-AIMD) simulations. Based on the rigid rotor harmonic oscillator (RRHO) approximation and the law of mass action, the binding free energies (ΔG) of the dimer in the most stable configuration were calculated for three atmospheric circumstances, i.e. at the ground level and in the middle and upper troposphere. The results show that, the most stable H₂SO₄ ·HSO^?₄ dimer is combined via triple O–H???O hydrogen bonds. It can be generated efficiently in both the middle and upper troposphere, but not at the ground level. All our simulations were carried out at the level of hybrid density functional theory (PBE0, hybrid-DFT), which is more accurate than DFT only.     

The single scattering properties of the aerosol particles as aggregated spheres

The light scattering and absorption properties of anthropogenic aerosol particles such as soot aggregates are complicated in the temporal and spatial distribution, which introduce uncertainty of radiative forcing on global climate change. In order to study the single scattering properties of anthorpogenic aerosol particles, the structures of these aerosols such as soot paticles and soot-containing mixtures with the sulfate or organic matter, are simulated using the parallel diffusion limited aggregation algorithm (DLA) based on the transmission electron microscope images (TEM). Then, the single scattering properties of randomly oriented aerosols, such as scattering matrix, single scattering albedo (SSA), and asymmetry parameter (AP), are computed using the superposition T-matrix method. The comparisons of the single scattering properties of these specific types of clusters with different morphological and chemical factors such as fractal parameters, aspect ratio, monomer radius, mixture mode and refractive index, indicate that these different impact factors can respectively generate the significant influences on the single scattering properties of these aerosols. The results show that aspect ratio of circumscribed shape has relatively small effect on single scattering properties, for both differences of SSA and AP are less than 0.1. However, mixture modes of soot clusters with larger sulfate particles have remarkably important effects on the scattering and absorption properties of aggregated spheres, and SSA of those soot-containing mixtures are increased in proportion to the ratio of larger weakly absorbing attachments. Therefore, these complex aerosols come from man made pollution cannot be neglected in the aerosol retrievals. The study of the single scattering properties on these kinds of aggregated spheres is important and helpful in remote sensing observations and atmospheric radiation balance computations.