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科學發(fā)明萊爾·達維·古德休美國氣溶膠:凡分散介質(zhì)為氣體的膠體物系成為氣溶膠。它們的粒子大小約在100~10000納米之間,屬于粗分散物系。氣溶膠粒子是懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆粒,有的來源于自然界,如火山噴發(fā)的煙塵、被風吹起的土壤微粒、海水飛濺揚入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒、細菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃燒所產(chǎn)生的細小微粒和宇宙塵埃等:有的是由于人類活動,如煤、油及其他礦物燃料的燃燒物質(zhì),以及車輛產(chǎn)生的廢氣排放至空氣中的大量煙粒等。當氣溶膠的濃度達到足夠高時,將對人類健康造成威脅,尤其是對哮喘病人及其他有呼吸進疾病的人群�？諝庵械臍馊苣z還能傳播真菌和病毒,這可能會導致一些地區(qū)疾病的流行和爆發(fā)。

氣溶膠粒子具有分布不均勻、變化尺度小、復雜性的特點,多集中于大氣的底層,對云的凝結(jié)核、雨滴、冰晶形成,進而對降水的形成起重要作用。氣溶膠甚至可以改變云的存在時間,能夠在云的表面產(chǎn)生化學反應,決定降雨量的多少,影響大氣成分。

由于氣溶膠的分散介質(zhì)是氣體,氣體的粘度小,分散相與分散介質(zhì)的密度差很大,質(zhì)點相碰時極易粘結(jié)以及液體質(zhì)點的揮發(fā),使氣溶膠有其獨特的規(guī)律性。氣溶膠質(zhì)點有相當大的比表面和表面能,可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速,甚至可以引起爆炸,如磨細的糖、淀粉和煤等。

氣溶膠質(zhì)點能發(fā)生光的散射,這是使天空成為藍色,太陽落山時成為紅色的原因。在動力性質(zhì)方面,其布朗運動非常劇烈,當質(zhì)點小時具有擴散性質(zhì);當質(zhì)點大時,由于與介質(zhì)的密度差大,沉降顯著。因介質(zhì)是氣體,這些動力性質(zhì)與氣體分子自由路程有關。在電學性質(zhì)方面,氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在,但可以帶電,其電荷來源于與大氣中氣體離子的碰撞或與介質(zhì)的摩擦,所帶電荷量不等,且隨時間變化;質(zhì)點既可帶正電也可帶負電,說明其電性決定于外界條件。在穩(wěn)定性方面,氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層,相碰時即發(fā)生聚結(jié),生成大液滴(霧)或聚集體(煙),此過程進展極其迅速,所以氣溶膠是極不穩(wěn)定的膠體分散體系,但由于布朗運動的存在,也具有一定的相對穩(wěn)定性。

粒度

描述氣溶膠粒度的常用術(shù)語是當量直徑,即粒子直徑的可測量指標。被測的不規(guī)則粒子的當量直徑就是與之有相同物理性質(zhì)的球形粒子的直徑。一般有空氣動力學當量直徑、遷移率當量直徑、質(zhì)量當量直徑、表面當量直徑、擴散當量直徑等等。例如,空氣動力學直徑是與不規(guī)則粒子有著相同沉降速率的單位密度(1000kg/m3或1g/cm3)的球形粒子的直徑。

一般說來,半徑小于1微米的粒子,大都是由氣體到微粒的成核、凝結(jié)、凝聚等過程所生成;而較大的粒子,則是由固體和液體的破裂等機械過程所形成。它們在結(jié)構(gòu)上可以是均相的,也可以是多相的。已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程。液體氣溶膠微粒一般呈球形,固體微粒則形狀不規(guī)則,其半徑一般為0.001~100微米。粒徑在10-1~101微米的氣溶膠在大氣光學、大氣輻射、大氣化學、大氣污染和云物理學等方面具有重要作用。

小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制,而大粒子的濃度則受沉降作用所限制。微粒在大氣中沉降的過程中, 受的阻力和重力的作用達到平衡時,各種粒子的沉降速度不同。

自然產(chǎn)生

天然氣溶膠:云、霧、靄、煙、海鹽等。

生物氣溶膠:微粒中含有微生物或生物大分子等生物物質(zhì)的稱為生物氣溶膠(bioaerosol),其中含有微生物的稱為微生物氣溶膠。

折疊人類產(chǎn)生

工業(yè)化氣溶膠:有殺蟲劑、消毒劑和衛(wèi)生消毒劑、洗滌劑和清潔劑、蠟、油漆和發(fā)膠。

食用氣溶膠:攪拌過的奶油。

氣溶膠能夠引起丁達爾效應

氣溶膠中的粒子具有很多特有的動力性質(zhì),光學性質(zhì),電學性質(zhì)。比如布朗運動,光的折射,象彩虹,月暈之類都是因為光線穿過大氣層而引起的折射現(xiàn)象.而大氣中含有很多的粒子,這些粒子就行成了氣溶膠。

氣溶膠在醫(yī)學,環(huán)境科學,軍事學方面都有很大的應用。在醫(yī)學方面應用于治療呼吸道疾病的粉塵型藥的制備,因為粉塵型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利于疾病的治療。環(huán)境科學方面比如用衛(wèi)星檢測火災.在軍事方面比如煙霧彈之類,還有可以制造氣溶膠煙霧來防御激光武器。

氣溶膠的容器內(nèi)含有兩種物質(zhì)——有待噴射的液態(tài)物和保持壓力的壓縮氣體。當撳下按鈕時,閥門張開,壓縮氣體將噴嘴里的一些液態(tài)物壓出。

研究歷史

1926年,挪威科學家埃里克·羅西姆首先想出了這個點子。但其他一些科學家也同樣有此想法。美國人朱利葉斯·S·可汗想出了一次性使用的金屬霧筒。同樣來自美國的萊爾·達維·古德休則進一步研制了這一發(fā)明,使它成為可以上市的商品。1941年,第一批氣溶膠開始銷售。

氣溶膠廣泛應用于一系列消費品。涂漆、清潔劑、擦光劑、除臭劑、香水、剃須乳劑,甚至摜奶油,都廣泛地以氣溶膠方式銷售。另外,人們還證明它們在衛(wèi)生保健上也是行之有效的,可用來治療某些呼吸器官的疾病。

但也發(fā)現(xiàn)了氣溶膠存在的一個問題。用于壓縮氣體的化學藥品通常是含氯氟烴(即CFCs),已證明它是對地球大氣層上的臭氧層造成損害的一類物質(zhì)。

最流行的現(xiàn)代氣溶膠壓縮氣體是二氧化碳氣體,它能在氣溶膠噴筒內(nèi)生成。像丙烷、異丁烷這類氣體也可使用。

濃度分布

氣溶膠的濃度,可以用一定體積中微粒的總質(zhì)量來表示,基本單位是微克/米,也可以用數(shù)密度即單位體積內(nèi)的粒子數(shù)目來表示。氣溶膠的分布特性通�？捎闷淞Ｗ訑�(shù)目(n)、粒子表面積(S)、粒子的體積(V)或質(zhì)量(m)按粒徑大小(D)的分布來描述,一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD對lgD的分布圖,它們基本上呈正態(tài)分布。對于半徑(r)在0.1微米和10微米之間的粒子,一般用容格(Junge)分布來表示,即: n(r)=Cr

式中v近似等于3,C是正比于粒子濃度的常數(shù)。但是20世紀70年代以來,有人提出三模態(tài)大氣氣溶膠的分布(愛根核模、積聚模和粗粒子模)。圖中還示出它們的粒徑范圍、主要質(zhì)量源以及質(zhì)量的輸入或去除的主要過程。由此可見,愛根核范圍的粒子是由高溫過程或化學過程產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)而成;積聚作用范圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結(jié)長大而形成,80%以上的大氣硫酸鹽微粒屬于此模;粗粒子則是由液滴蒸發(fā)、機械粉碎等過程形成。細粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右。從對人體呼吸道的危害看來,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微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內(nèi)滯留的比率增加,0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內(nèi)附著的比率增加。半徑小于0.1微米的粒子,其數(shù)密度隨離地面高度的增加而減小,這表明它們來源于地表;但半徑0.1~1微米的粒子,其數(shù)密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,并且在15~20公里附近出現(xiàn)極大值,形成平流層內(nèi)的氣溶膠層,這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經(jīng)氧化成固體而形成的。它雖然只占大氣中氣溶膠總量的百分之幾,但對于大氣的氣溫有重要的影響。通過大氣遙感可探測氣溶膠粒子的平均譜分布。

自從美國公布了全球PM2.5的分布圖,北京等城市的PM2.5含量受到關注,尤其是近斷時間持續(xù)的"霧霾"天氣使得市民感到恐慌,預防和治理PM2.5污染迫在眉睫。2012年全國增加了很多監(jiān)測PM2.5站點,但是地面監(jiān)測站畢竟不能完全均勻分布在每一個地方,衛(wèi)星遙感手段以其時效性高、覆蓋面廣、分辨率高等優(yōu)勢使得快速大面積監(jiān)測氣溶膠情況成為可能。MODIS是先進的多光譜遙感傳感器,具有36個觀測通道,覆蓋了當前主要遙感衛(wèi)星的主要觀測數(shù)據(jù)。利用反演得到的氣溶膠光學厚度空間分布數(shù)據(jù)結(jié)合PM2.5實測數(shù)據(jù)建立相關模型,即可實現(xiàn)PM2.5的遙感監(jiān)測。該微課堂講的就是如何基于ENVI 5.0反演氣溶膠的光學厚度空間分布。

化學組成

氣溶膠的化學組成十分復雜,它含有各種微量金屬、無機氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機化合物等。由于來源不同,形成過程也不同,故其成分不一,特別是城市大氣受污染源的影響,氣溶膠的成分變動較大。但是非城市大氣氣溶膠的成分比較穩(wěn)定,大體上與地區(qū)的土壤成分有關。

大氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化形成的硫酸鹽,是氣溶膠的主要成分之一。其轉(zhuǎn)化過程尚未完全明白,已知二氧化硫可在均相條件下(在氣相中),或在水滴、碳顆粒和有機物顆粒表面等多相條件下(在液相或固相表面上)轉(zhuǎn)化成三氧化硫,再與水反應生成硫酸,并和金屬氧化物的微塵反應而生成硫酸鹽。硫是氣溶膠內(nèi)最重要的元素,其含量能反映污染物的全球性遷移、傳輸和分布的狀況(見大氣微量氣體)。

氣溶膠中硝酸鹽和有機物的形成機制,尚待研究。氣溶膠中有銨離子(NH4)存在,能與硫酸根離子(SO4)和硝酸根離子(NO3)生成銨鹽。至于氣溶膠中的有機物,更是許多種類有機物的復雜混合物,其中包括稀烴、烷烴、芳烴、多環(huán)芳烴、醛、酮、酸、醌、酯,以及有機氮化物和有機硫化物等。

氣溶膠來源于土壤的各種元素(如銪、鈉、鉀、鋇、銣、鑭、鈰、硅、釤、鈦、釷、鋁等),其含量在地區(qū)之間差別不大;而來源于工業(yè)區(qū)的各種元素(如氯、鎢、銀、錳、鎘、鋅、銻、鎳、砷、鉻等),就有較大的地區(qū)差別。

氣溶膠是大氣中極其重要的組成部分,它不僅直接影響人類的健康,還能增加大氣的化學反應,降低能見度,增加降水、成云和成霧的可能性,影響大氣輻射收支,導致環(huán)境溫度和植物生長速率的改變以及沾污材料。對氣溶膠的研究,無論對于大氣化學、云和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣輻射學、氣候?qū)W、環(huán)境醫(yī)學或者生態(tài)學等學科來說,都有重要意義。但氣溶膠化學組成的研究僅是開始,還有待于今后發(fā)展。

工業(yè)城市上空的煙霧和工廠、礦井中的煙塵對人體健康危害極大(如硅肺),還有破壞大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉塵,都和氣溶膠有關。

研究稱氣溶膠對全球變暖的"冷卻效應"很微弱。一位挪威科學家表示,他已經(jīng)估測出了氣溶膠到底能對氣候產(chǎn)生多大影響。

散布在大氣中的氣溶膠微粒對太陽光具有反射效應,進而可以"遮蔽"全球變暖的影響。而這位挪威科學家的研究項目的目的是要綜合運用反應這種"直接氣溶膠效應"的各類模型和觀測結(jié)果,以準確評估這一冷卻效應的作用。

據(jù)英國廣播公司消息,挪威國際氣候和環(huán)境研究中心的氣候科學家岡納·邁爾(Gunnar Myhre)在《科學》雜志上報告說,他的研究發(fā)現(xiàn)冷卻效應并不像此前研究預測的那么強烈。邁爾說,這能清楚地表明到目前為止人類到底給氣候帶來了多大的改變。他研究的污染微粒包括硫酸鹽等工業(yè)氣溶膠、燃燒農(nóng)業(yè)廢棄物所排放的硝酸鹽以及柴油發(fā)動機和其它燃燒形式所產(chǎn)生的黑碳(煤煙)。"氣溶膠排放的全球模型顯示,溫室氣體造成的全球變暖有大約10%被它們(氣溶膠)的冷卻效應消除了。"參與該項研究的英國氣象局氣溶膠研究員吉姆·海伍德(Jim Haywood)解釋說,"但利用衛(wèi)星手段探測到的大氣氣溶膠的含量卻表明,冷卻效應消除了大約20%(的全球變暖)。"

邁爾協(xié)調(diào)了兩種方法,最終得到了一個更為精確的評估數(shù)據(jù)——冷卻效應接近10%。這一結(jié)果比聯(lián)合國政府間氣候變化專家委員會(IPCC)此前所預測的要弱。"硫酸鹽和有機碳反射太陽輻射,而黑碳在很大程度上卻會吸收太陽輻射。"他解釋說。"模型考慮到了黑碳(排放)增幅多于其它兩種氣溶膠的情況。但基于觀測的方法卻難以將其考慮在內(nèi),因為我們只有針對當前狀況的觀測數(shù)據(jù),而且不是在人類活動開始之前的。這將對以后的氣候預測產(chǎn)生影響。"海伍德說。

不過,氣溶膠對氣候的影響遠不止于此。氣溶膠微粒會改變云層,增加大氣中液滴濃度,從而增加云量。邁爾說,這種"間接氣溶膠效應"引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在"很多不確定"。海伍德對此表示同意。"氣溶膠對云量的影響讓我們很傷腦筋,"他說,"這給我們的數(shù)據(jù)采集留下了一個大空白。"他和英國氣象局的同事已經(jīng)開始研究是否可以利用氣溶膠來有意地遏制全球變暖。

在最近的一項研究中,他通過氣候模型來預測,利用海鹽顆粒增加云層的反照率這種故意使云層變亮的手段將對全球氣溫產(chǎn)生什么樣的影響。研究小組發(fā)現(xiàn),全球變暖將被延緩多達25年,但他們同時發(fā)現(xiàn),這種方法也會帶來很多不利影響。研究人員說,其中最嚴重的后果就是,南美地區(qū)的降雨量將大幅減少,這很可能會加速亞馬遜雨林的枯萎,給這一世界主要碳匯造成損失。"采用這種方法,你必須非常謹慎地選擇云層。"海伍德說。邁爾指出,同溫室氣體相比,氣溶膠對氣候的影響最終將變得無足輕重。

"氣溶膠的壽命很短,而溫室氣體的壽命卻很長——二氧化碳可以存在100多年。"他說,"在將來,溫室氣體才是全球變暖真正的大問題。它們的影響將越來越重要。"

氣溶膠產(chǎn)生過程

據(jù)一項研究報告,在芬蘭Hyytiälä北方森林中的實地研究及在實驗室中的試驗揭示了氣體分子是如何形成大氣氣溶膠的。這些發(fā)現(xiàn)可能就新氣溶膠形成對大氣氣溶膠預算的作用及其對氣候的影響有所啟示。

大多數(shù)的氣溶膠——它們是來自火山、塵埃、污染物及其它來源的極小的在空氣中傳播的顆�！�—是從它們本身的環(huán)境中產(chǎn)生的,而不是從陸地、海洋或太空被完整直接地運輸過來的。這些氣溶膠來自一種增長過程,它開始時為大氣中的分子及分子簇,它的尺寸隨著其獲取其它分子、分子簇和顆粒而變得越來越大。

在二十世紀90年代,科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大氣顆粒形成機制的線索,但在那時要知道其確切的機制是不可能的,因為他們沒有足夠的能力來檢測微小顆粒以觀察這一過程的肇始。

Markku Kulmala及其同事研發(fā)了敏感的新技術(shù),使得人們能夠檢測并對這些細小的起源物進行計數(shù),從而使人們能夠詳細地勾勒出氣溶膠形成的過程。研究人員發(fā)現(xiàn),氣溶膠形成的起始步驟是以直徑小于2納米的集簇物開始,而硫酸及有機分子是顆粒增長過程的關鍵成分。研究人員發(fā)現(xiàn),硫酸和像碳這樣的有機分子會連接在一起形成一種關鍵性的集簇物,它會增長成為一個氣溶膠顆粒。集簇物足夠穩(wěn)定的積聚以實現(xiàn)持續(xù)增長是氣溶膠形成的關鍵。

理解氣溶膠是如何形成的對了解這些顆粒對氣候變化的影響是至關重要的。

MODIS影像

自從美國公布了全球PM2.5的分布圖,北京等城市的PM2.5含量受到關注,尤其是持續(xù)的"霧霾"天氣使得市民感到恐慌,預防和治理PM2.5污染迫在眉睫。2012年全國增加了很多監(jiān)測PM2.5站點,但是地面監(jiān)測站畢竟不能完全均勻分布在每一個地方,衛(wèi)星遙感手段以其時效性高、覆蓋面廣、分辨率高等優(yōu)勢使得快速大面積監(jiān)測氣溶膠情況成為可能。

MODIS是先進的多光譜遙感傳感器,具有36個觀測通道,覆蓋了當前主要遙感衛(wèi)星的主要觀測數(shù)據(jù)。利用反演得到的氣溶膠光學厚度空間分布數(shù)據(jù)結(jié)合PM2.5實測數(shù)據(jù)建立相關模型,即可實現(xiàn)PM2.5的遙感監(jiān)測。該微課堂講的就是如何基于ENVI 5.0反演氣溶膠的光學厚度空間分布。

作用

氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候。一方面可以將太陽光反射到太空中,從而冷卻大氣,并會使大氣的能見度變壞,另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射,減少地面長波輻射的外逸,使大氣升溫。