气溶胶总结

南京信息工程大学 大气物理专业，气溶胶是在大气正常条件下能稳定存在一段时间，以固相或液相微粒存在大气中的悬浮体系。将知识点进行了归纳和整理，帮助学习者理解和记忆。直击重点，可以作为学习笔记和复习资料，知识点系统且全面，帮助大家系统地回顾和巩固所学知识，希望对大家有用！

气溶胶总结

• 基础知识
  • 定义：在大气正常条件下能稳定存在一段时间，以固相或液相微粒存在大气中的悬浮体系
  • 气溶胶尺度大小: nm~100um
  • 气溶胶来源
    • 自然源
      • 土壤尘
        • 沙尘天气形成的三个基本条件
          • 沙尘源物质条件
          • 大风动力条件
          • 不稳定层结热力条件
        • 起沙机制
          • 蠕移
          • 跃移
          • 悬移
      • 海盐气溶胶
        • 产生率的影响因子
          • 风速
          • 海水密度
          • 环境相对湿度
      • 火山气溶胶
        • 成分
          • 硫氧化物、氯化物和水汽
      • 宇宙尘埃
        • 主要成分为金属：铁等
      • 生物气溶胶
        • VOC
    • 人为源
      • 燃烧过程产生的气溶胶
        • 煤燃烧
          • 尘埃、CO、CO2、硫氧化物、氮氧化物、烃类有机物
        • 汽车、火车或飞机等多个铅
  • 大气中有机物来源
    • 森林、草原
    • 火山爆发
    • 煤、石油、焦煤油、烟草和其它一些有机物的热解或不完全燃烧
    • 人类不完全燃烧有机物
    • 人工合成物的使用
  • 气溶胶的重要影响
    • 环境危害
      • 人体健康
      • 大气能见度
    • 大气物理化学过程
      • 云雾降水
      • 大气辐射
      • 大气化学
      • 大气光学
      • 大气电学
  • 研究方法
    • 直接采样观测
    • 遥感观测
    • 实验室分析
    • 模式模拟
    • 理论研究
  • 产生机制
    • 直接注入
      • 地表直接注入
        • 火山喷发
        • 风扬尘
        • 花粉、生物腐烂
      • 固体或液体破碎注入
        • 海浪破碎
        • 交通和其它工业粉碎活动等
      • 高空注入
        • 飞机直接排放
        • 球外陨星
    • 气相粒子核化过程
      • 物理过程
        • 均相同质凝结、聚合过程
        • 非均相异质凝结过程
      • 化学过程
        • 气和三相态反应生成新的固体粒子
        • 气体分子被固体粒子表明化学键作用吸附在粒子表明
    • 湿气溶胶液相化学反应
      • 如硫酸盐氧化过程
        • 氧化水合过程、核化形成过程、粒子增长过程
        • SOA的生成
  • 气溶胶粒子尺度特征
    • 根据惯性原理设计的撞击式粒子尺度测量仪器测得的粒子直径都是空气动力学等效直径
      • 动力学等效直径
        • 空气动力学等效直径da
          • 在低雷诺数的静止空气中，与实际粒子具有相同沉降速度的单位密度球体的直径
        • Stokes等效直径ds:
          • 在低雷诺数的静止空气中，与实际粒子具有相同沉降速度的相同密度球体的直径
    • 光学等效直径
      • 所研究的粒子与一个直径为dp的球形粒子具有相同的光散射能力，dp定义为这个粒子的光学等效直径。
    • 不同测量方法测得的等效直径一般是不相同的。
  • 气溶胶粒子尺度分布特征
    • 超细核模态D<0.002um
      • 主要通过气相粒子物理核化过程产生
    • 爱根核模态0.002um<D<0.1um
      • 燃烧过程产生的一次气溶胶粒子、气体分子通过化学反应转换成的二次气溶胶粒子
    • 积聚模态0.1um<D<1um
      • 爱根核粒子的凝聚，燃烧过程所产生的蒸汽冷凝、凝聚，以及由大气化学反应所产生的各种气体分子转化成的二次气溶胶
    • 粗模态D>1um
      • 机械过程所造成的土壤尘、海盐、飞灰、轮胎碎片等一次气溶胶粒子
  • 浓度谱分布
    • 数浓度nN
      • 超细和积聚模态浓度高
      • 数浓度谱分布存在的两个问题
        • 粒子尺度间隔范围不同，不同粒径范围的浓度无法直接进行对比
        • 粒子尺度间隔均匀，但间隔的宽度不同，浓度谱显示的细节不同
      • 数浓度谱统计量
        • 中值半径
          • 
        • 数浓度平均直径
          • 
        • 众数半径
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        • 各半径对应值大小
          • 
        • 其它较重要统计量
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    • 质量浓度nm
    • 表面积浓度ns
      • 积聚和粗模态浓度高
    • 体积浓度nv
      • 粗模态浓度高
    • 不同谱的转化关系和分布函数关系（科研）
      •  
    • 谱分布函数（拟合用）
      • Junge谱分布
        • 早期：次um->um气溶胶粒子数差不多随半径的三次方指数下降；y轴dn/d log(Dp) x轴为Dp(对数形式)
      • 对数正态分布
        • Junge的完善，nm~um,
      • T函数
      • 修正T函数分布
      • 对数二次曲线分布
  • 气溶胶化学组分
    • 微量元素
      • 
    • 有机物
      • 种类多，占气溶胶的10%-60%
      • 按测量方法分为有机碳（OC）和无机碳(EC)
      • 按饱和蒸汽压的大小分为挥发性有机物、半挥发性有机物、非挥发性有机物
    • 离子组分
      • 
  • 主要气态前提物
    • 含碳化物
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    • 含氮化物
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    • 含硫化物
      • 
  • 化学过程（硫酸和硝酸盐的生成）
    • 碳氢化合物在大气中的转化
      • 
    • 硝酸盐
      • 
    • 硫酸盐
      • 
  • 大气气溶胶污染源解析方法汇总
    • 源解析：是区分和识别大气污染的复杂来源，并对气溶胶中污染物的来源进行定性或定量分析其贡献率的研究技术
    • 从排放源解析
      • 源清单
      • 扩散模式
    • 从受体解析
      • 相对浓度法
        • 丰度：大气气溶胶中所研究元素浓度与总气溶胶浓度的比值。
        • 富集因子法：用于研究大气气溶胶粒子中元素的富集程度，判断气溶胶粒子 中元素的自然来源和人为来源。
      • 化学质量平衡法（CMB)
        • 假设如下
          • 
      • 统计方法
        • 主成分分析法
        • 因子分析法
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      • 后向轨迹法
  • 气溶胶标高
    • 假定大气气溶胶浓度随高度指数衰减，当其衰减到地面浓度的1/e时，气溶胶层所对应的高度。
  • 大气滞留与清除过程
    • 
  • 清除过程
    • 干沉降过程：气载物质通过重力下落、扩散传输，或两者的共同作用，沉积于地表面移出大气，或通过与表面碰撞或被突出物拦截而移出，这种过程称为干沉降。
      • 具体过程和影响因素
        • 
      • 干沉降物理过程
        • 近地层输送
        • 表面输送
        • 吸收
      • 沉降速度与层流输送层、近地层、吸收层的阻力相关
        • 
    • 湿沉降过程：大气气溶胶粒子参与云滴的形成并在云滴增长和发展为降水过程中，被云、降水收集而随降水下落至地面。
      • 云内清除
        • 核化
        • 布朗扩散
        • 碰并
      • 云下清除
        • 一些计算
          • 
• 动力学
  • 动力学基础
    • 平衡态
      • 平均速度
        • 分子尺度小于分子间距离，两次碰撞之间处于连续运动状态；
        • 分子为球体，分子间的碰撞为弹性碰撞（没有能量损失，仅引起分子的重新排列）
        • 平衡态时，分子按位置、速度的分布是均匀的；
        • 与温度的平方根成正比
        • 与分子相对mol质量的平方根成反比
      • 平均自由程
        • 定义：气体分子或粒子在连续两次碰撞之间所可能经过的各段自由路程的平均值。
        • 与Dp的平方成反比，与N分子密度成反比
    • 非平衡态
      • 气体粘性
        • 速度梯度决定快慢
        • 分子对动量的传输特征描述
        • 无量纲量努森数Kn
          • 标准大气状态下，空气分子平均自由程为0.065μm，因此，当气溶胶粒子尺度>=0.1μm时，Kn<1，粒子按连续方式运动；
          • 当粒子尺度<0.01μm时，Kn>>1，粒子运动类似于自由分子运动。
          • 粒子尺度介于0.01-0.1μm时，粒子从自由分子运动向连续运动过渡，属于过渡区。
      • 热传导和扩散
        • 温度梯度决定热传导快慢 密度梯度决定扩散快慢
        • Stokes阻力
          • 雷诺数
            • 
          • 不同条件下的雷诺数
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          • 阻力系数修正
            • 滑动订正 Cc>=1 小粒子的修正大，大粒子的修正小
          • 弛豫时间
            • τ 具有时间量纲，把粒子的特征与流体的特性联系在一起，表征粒子运动的时间特征
            • 弛豫时间的物理意义：表示在静止介质中，粒子由初速度0加速到沉降末速度的2/3时所经历的时间。表征粒子达到稳定沉降速度所经历的时间，表征粒子由非稳态到稳态的快慢。
          • 停止距离
            • 粒子在静止空气中所移动的最大距离 t>>τ时
            • 物理意义：一个具有初速度V0的粒子，入射到静止空气中，由于空气的粘滞阻 力作用，它能在V0方向上运动的最大距离。
          • 非球形粒子
            • 体积等效直径
            • 动力形状因子
      • Brown运动
        • Brown运动是介质分子以不同方向、不同大小的力不断撞击气溶胶粒子产生，气溶胶粒子连续以不同方向、不同速度作不规则运动
      • 布朗扩散
        • 气溶胶小粒子受到介质分子无规则的撞击，使他们像气体分子一样作无规则运动，粒子发生从高浓度区向低浓度区的扩散，使其偏离平衡位置，这种过程称布朗扩散
      • 菲克定律
        • 菲克第一定律：在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量 J ）与该截面处的浓度梯度成正比
        • 菲克第二定律：在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值
      • 布朗扩散对于在小尺度粒子是重要的传输机制；当持续时间较长时，仍以重力沉降为主。
    • 泳移效应 当介质分子动量分配不均匀（即具有方向性的偏差）时，通过分子 动量输送，可使气溶胶粒子产生泳移。
      • 热力泳移
      • 光致泳移
      • 扩散泳移
  • 群动力学
    • 聚合方程
      • 聚合过程
        • 外部混合粒子群经过碰撞、粘并转变成内部凝聚体的过程。
        • 聚合方程
          • 
    • 布朗运动聚合
      • 气溶胶粒子之间：布朗运动——→碰撞粘并形成新的聚合体
      • 收集核与粒子的尺度有一定关系：
        • 等尺度粒子间的最大收集核出现在粒径0.02μm处；
        • 尺度不等的粒子间的收集核总比等尺度粒子间大；
    • 层流和湍流中的聚合
      • 层流切变聚合
        • 气溶胶粒子尺度越大，层流切变聚合比布朗运动聚合更明显
      • 湍流切变聚合
      • 湍流惯性聚合
    • 重力沉降聚合
    • 外力场对聚合过程的作用
    • 一般动力学方程
      • 影响因子
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• 光学效应
  • 气溶胶对光的影响
    • 吸收
    • 散射
      • 包括弹性散射 准弹性散射 非弹性散射
      • 反射
      • 透射
      • 衍射
  • 光学参量
    • 复折射指数 表示吸收和散射的物理量
    • 吸收系数 表示吸收的量
    • 相对介电常数
    • 散射角和方位角 传播方向
    • 偏振度 振动方向
    • 散射函数 散射分布靠它描述
    • 相函数p 表示某个方向的散射能力与平均散射能力之比 分布归一了
    • 单次散射反照率 表示散射在总消光中所占的比重
    • 非对称因子 前后向散射占的比例 -1-1
    • 后向散射系数 表面意思 0-1
  • 散射类型 尺度参数决定 粒子大小/光波长
    • 瑞利分子散射
      • ① 散射光强度和波长的4次方成反比；
      • ② 散射光强度和粒子体积的平方成正比；
      • ③ 当入射光为自然光时，散射光强度的空间分布简单地服从（1+cos2）的关系，前后向散射呈对称分布；
      • ④ 散射光有很高的偏振度，尤其在θ= 90°附近，几乎是全偏振的。
    • 米散射
      • ① 随着粒子尺度数x的增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大，散射函数随散射角的振动越明显，这就是所谓米效应。
      • ② 前向散射光基本上不改变入射光的偏振状态，当入射光是自然光时，前向散射光也是非偏振的。散射光偏振度最大的方向出现在散射角为85 ~ 120°之间
      • ③ 在吸收不强时，散射效率Qsc随x的增大呈振动状态变化，最后趋向于2，即散射截面是几何截面的二倍。但当吸收增强时，Qsc曲线上的振动消失了。
      • ④ 散射截面随波长而变。当x很小时，和瑞利散射一样，与波长四次方成反比；当x增大时，逐渐变为和−n (0 < n < 4)；最后当x相当大时，和波长无明显关系。
  • 气溶胶粒子群散射
    • 体积消光系数：
      • 单位体积中各个气溶胶粒子消光（散射/吸收）截面之和称为体积消光（散射/吸收）系数。
    • Ångström系数、波长指数
      • 
      • a能很好的反应气溶胶粒子平均尺度，a>1表示气溶胶以细粒子为主，0<a<1表示粗细粒子混合，a接近于0表示气溶胶以粗粒子为主（Gobbi et al.,2007）。
    • 气溶胶层散射模式
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      • 多次反射
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  • 大气能见度
    • 定义：具有正常视力的人透过大气分辨远处目标物的清晰程度称为能见度，气象上一般把能见度分为10个等级。
    • 影响能见度的因子：
      • ①目标物的物理特性，其大小、形状、色彩和亮度等；
      • ②背景的物理特性；
      • ③照明的情况；
      • ④大气的特性；
      • ⑤观测仪器的特性。
  • 能见距
    • 定义：具有正常视力的人无法把目标物从背景大气中识别出来的最大地面水平临界距离称为能见距
  • 气象能见距
    • 按地面观测规范的规定，气象能见距是指视力正常的人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辩认出目标物（黑色，大小适度）的最大水平距离。
  • 亮度比
    • 
    • 亮度比阈值
      • 定义：在εL减小到某一临界值 εc 时，目标物不能从背景中分辨出来，这个临界值
    • 大气对视亮度的影响有两个方面
      • ① 大气的削弱作用使固有亮度减小。设这段大气的透明度为tR，则视亮度应是固有亮度乘以tR。
      • ② 由于大气对光的散射作用，气柱本身要发光。
  • 光学参量的观测
    • 原理：
      • 布格−朗伯（Bouguer-Lanbert）定律
    • 消光系数的测量:用一束已知强度为I0 的平行光，测量它透过一段距离R 后的强度I
    • 消光系数补偿式测量仪器：
      • 
    • 散射系数的测量:
      • 
      • 积分散射度计除了可以直接测量大气的散射系数外，还有以下的优点：
      • ①可以连续自动地观测；
      • ②可以比较方便地进行定标；
      • ③若控制进入散射体积中空气样品的温度和湿度，可以研究在不同 湿度条件下气溶胶的散射系数，从而提供气溶胶化学组分的信息。
    • 吸收系数的测量:
      • 黑碳仪
    • 散射和消光系数垂直廓线的测量
    • 光学厚度的测量
• 辐射效应
  • 辐射强迫基本概念
    • 辐射强迫定义：
      • 在保持地表和大气状态不变的情况下，因受外部强加的某种扰动，使得地球气候系统辐射能量收支发生变化，这个变化的辐 射通量称为辐射强迫。通常用一段时间内平均的、单位面积上变化的辐射通量表示（单位为Wm-2）。
    • 瞬时辐射强迫定义：
      • 在保持地表和大气状态不变的情况下，因外部强迫的引入所造成的净辐射通量密度的瞬时变化。（通常应用在大气层顶或对流层顶）
    • 调整后的辐射强迫：
      • 在地面和对流层温度和大气状态保持不变的情况下，允许平流层温度重新调整到辐射平衡状态后，外部强迫所造成的对流层顶净辐射通量的变化
    • 有效辐射强迫：
      • 允许大气温度、水汽和云进行调整，但在保持全球平均地表温度或者部分地表状况不变情况下，大气顶净辐射通量的变化。
    • 气溶胶辐射强迫：
      • 在保持地表和大气状态不变的情况下，因大气成分发生变化，使得地气系统辐射能力收支发生变化，这个变化的辐散通量称为大气辐散强迫。
  • 直接辐散强迫
    • 由于气溶胶的散射特性，使得有无气溶胶时大气顶或地表净辐射通量发生变化，这种变化称为气溶胶直接辐射强迫。
    • 影响直接辐射强迫的因子：
      • 气溶胶化学特性（主要是化学成分构成）
      • 物理特性（尺度谱分布、粒子有效半径等）
      • 光学特性（质量消光效率、单次散射比和非对称因子）
      • 大气状态（湿度、云量、地表反照率、太阳天顶角等）
  • 半直接辐散强迫
    • 具有强吸收性的气溶胶，其存在使得大气顶或地表净辐射通量发生变化，这种变化称为气溶胶半直接辐射强迫。
  • 第一间接辐散强迫（云反照率效应）
    • 云反照率效应（又称Twomey效应），是指在云内液态水含量不变的情况下，气溶胶粒子的增多会使得云滴数浓度的增加和云滴粒子的变小，从而导致云反照率变大。
  • 第二间接辐射强迫（云生命期效应）
    • 云生命期效应（又称Albrecht效应），是指云滴谱有效半径的减小将同时减少降水的形成，进而可能会增加液态含水量、改变云的厚度、延长云的生命期，而云生命期的增加又会导致时间平均或区域平均的云反照率增加，它体现的是一种气候系统的反馈效应
    • 其它效应
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