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科學(xué)發(fā)明萊爾·達(dá)維·古德休美國(guó)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(fēng)吹起的土壤微粒、海水飛濺揚(yáng)入大氣后而被蒸發(fā)的鹽粒、細(xì)菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃燒所產(chǎn)生的細(xì)小微粒和宇宙塵埃等:有的是由于人類活動(dòng),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(dāng)氣溶膠的濃度達(dá)到足夠高時(shí),將對(duì)人類健康造成威脅,尤其是對(duì)哮喘病人及其他有呼吸進(jìn)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(huì)導(dǎo)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(fù)雜性的特點(diǎn),多集中于大氣的底層,對(duì)云的凝結(jié)核、雨滴、冰晶形成,進(jìn)而對(duì)降水的形成起重要作用。氣溶膠甚至可以改變?cè)频拇嬖跁r(shí)間,能夠在云的表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),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(diǎn)相碰時(shí)極易粘結(jié)以及液體質(zhì)點(diǎn)的揮發(fā),使氣溶膠有其獨(dú)特的規(guī)律性。氣溶膠質(zhì)點(diǎn)有相當(dāng)大的比表面和表面能,可以使一些在普通情況下相當(dāng)緩慢的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得非常迅速,甚至可以引起爆炸,如磨細(xì)的糖、淀粉和煤等。

氣溶膠質(zhì)點(diǎn)能發(fā)生光的散射,這是使天空成為藍(lán)色,太陽落山時(shí)成為紅色的原因。在動(dòng)力性質(zhì)方面,其布朗運(yùn)動(dòng)非常劇烈,當(dāng)質(zhì)點(diǎn)小時(shí)具有擴(kuò)散性質(zhì);當(dāng)質(zhì)點(diǎn)大時(shí),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(dòng)力性質(zhì)與氣體分子自由路程有關(guān)。在電學(xué)性質(zhì)方面,氣溶膠粒子沒有擴(kuò)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(shí)間變化;質(zhì)點(diǎn)既可帶正電也可帶負(fù)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(kuò)散雙電層,相碰時(shí)即發(fā)生聚結(jié),生成大液滴(霧)或聚集體(煙),此過程進(jìn)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(yùn)動(dòng)的存在,也具有一定的相對(duì)穩(wěn)定性。

粒度

描述氣溶膠粒度的常用術(shù)語是當(dāng)量直徑,即粒子直徑的可測(cè)量指標(biāo)。被測(cè)的不規(guī)則粒子的當(dāng)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(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑、遷移率當(dāng)量直徑、質(zhì)量當(dāng)量直徑、表面當(dāng)量直徑、擴(kuò)散當(dāng)量直徑等等。例如,空氣動(dòng)力學(xué)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(jī)械過程所形成。它們?cè)诮Y(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(xué)反應(yīng)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(xué)、大氣輻射、大氣化學(xué)、大氣污染和云物理學(xué)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(dá)到平衡時(shí),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(dá)爾效應(yīng)

氣溶膠中的粒子具有很多特有的動(dòng)力性質(zhì),光學(xué)性質(zhì),電學(xué)性質(zhì)。比如布朗運(yùn)動(dòng),光的折射,象彩虹,月暈之類都是因?yàn)楣饩�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(xué),環(huán)境科學(xué),軍事學(xué)方面都有很大的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用于治療呼吸道疾病的粉塵型藥的制備,因?yàn)榉蹓m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(xué)方面比如用衛(wèi)星檢測(cè)火災(zāi).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(dāng)撳下按鈕時(shí),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(xué)家埃里克·羅西姆首先想出了這個(gè)點(diǎn)子。但其他一些科學(xué)家也同樣有此想法。美國(guó)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(guó)的萊爾·達(dá)維·古德休則進(jìn)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(yīng)用于一系列消費(fèi)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?cè)谛l(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(gè)問題。用于壓縮氣體的化學(xué)藥品通常是含氯氟烴(即CFCs),已證明它是對(duì)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?xì)怏w,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(duì)lgD的分布圖,它們基本上呈正態(tài)分布。對(duì)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(jì)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(xué)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(zhǎng)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(jī)械粉碎等過程形成。細(xì)粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右。從對(duì)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(duì)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(duì)于大氣的氣溫有重要的影響。通過大氣遙感可探測(cè)氣溶膠粒子的平均譜分布。

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

化學(xué)組成

氣溶膠的化學(xué)組成十分復(fù)雜,它含有各種微量金屬、無機(jī)氧化物、硫酸鹽、硝酸鹽和含氧有機(jī)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(dòng)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(guān)。

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(jī)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(yīng)生成硫酸,并和金屬氧化物的微塵反應(yīng)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(jī)物的形成機(jī)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(jī)物,更是許多種類有機(jī)物的復(fù)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(jī)氮化物和有機(jī)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(xué)反應(yīng),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(dǎo)致環(huán)境溫度和植物生長(zhǎng)速率的改變以及沾污材料。對(duì)氣溶膠的研究,無論對(duì)于大氣化學(xué)、云和降水物理學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、大氣輻射學(xué)、氣候?qū)W、環(huán)境醫(yī)學(xué)或者生態(tài)學(xué)等學(xué)科來說,都有重要意義。但氣溶膠化學(xué)組成的研究?jī)H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(duì)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(guān)。

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

散布在大氣中的氣溶膠微粒對(duì)太陽光具有反射效應(yīng),進(jìn)而可以"遮蔽"全球變暖的影響。而這位挪威科學(xué)家的研究項(xiàng)目的目的是要綜合運(yùn)用反應(yīng)這種"直接氣溶膠效應(yīng)"的各類模型和觀測(cè)結(jié)果,以準(zhǔn)確評(píng)估這一冷卻效應(yīng)的作用。

據(jù)英國(guó)廣播公司消息,挪威國(guó)際氣候和環(huán)境研究中心的氣候科學(xué)家岡納·邁爾(Gunnar Myhre)在《科學(xué)》雜志上報(bào)告說,他的研究發(fā)現(xiàn)冷卻效應(yīng)并不像此前研究預(yù)測(cè)的那么強(qiáng)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(dòng)機(jī)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(yīng)消除了。"參與該項(xiàng)研究的英國(guó)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(cè)到的大氣氣溶膠的含量卻表明,冷卻效應(yīng)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(gè)更為精確的評(píng)估數(shù)據(jù)——冷卻效應(yīng)接近10%。這一結(jié)果比聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專家委員會(huì)(IPCC)此前所預(yù)測(cè)的要弱。"硫酸鹽和有機(jī)碳反射太陽輻射,而黑碳在很大程度上卻會(huì)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(cè)的方法卻難以將其考慮在內(nèi),因?yàn)槲覀冎挥嗅槍?duì)當(dāng)前狀況的觀測(cè)數(shù)據(jù),而且不是在人類活動(dòng)開始之前的。這將對(duì)以后的氣候預(yù)測(cè)產(chǎn)生影響。"海伍德說。

不過,氣溶膠對(duì)氣候的影響遠(yuǎn)不止于此。氣溶膠微粒會(huì)改變?cè)茖?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(yīng)"引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在"很多不確定"。海伍德對(duì)此表示同意。"氣溶膠對(duì)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(gè)大空白。"他和英國(guó)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(xiàng)研究中,他通過氣候模型來預(yù)測(cè),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(duì)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(dá)25年,但他們同時(shí)發(fā)現(xiàn),這種方法也會(huì)帶來很多不利影響。研究人員說,其中最嚴(yán)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(huì)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(jǐn)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(duì)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(zhǎng)——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(xiàng)研究報(bào)告,在芬蘭Hyytiälä北方森林中的實(shí)地研究及在實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)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(duì)大氣氣溶膠預(yù)算的作用及其對(duì)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(yùn)輸過來的。這些氣溶膠來自一種增長(zhǎng)過程,它開始時(shí)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(jì)90年代,科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大氣顆粒形成機(jī)制的線索,但在那時(shí)要知道其確切的機(jī)制是不可能的,因?yàn)樗麄儧]有足夠的能力來檢測(cè)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(cè)并對(duì)這些細(xì)小的起源物進(jìn)行計(jì)數(shù),從而使人們能夠詳細(xì)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(jī)分子是顆粒增長(zhǎng)過程的關(guān)鍵成分。研究人員發(fā)現(xiàn),硫酸和像碳這樣的有機(jī)分子會(huì)連接在一起形成一種關(guān)鍵性的集簇物,它會(huì)增長(zhǎng)成為一個(gè)氣溶膠顆粒。集簇物足夠穩(wěn)定的積聚以實(shí)現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)是氣溶膠形成的關(guān)鍵。

理解氣溶膠是如何形成的對(duì)了解這些顆粒對(duì)氣候變化的影響是至關(guān)重要的。

MODIS影像

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

MODIS是先進(jìn)的多光譜遙感傳感器,具有36個(gè)觀測(cè)通道,覆蓋了當(dāng)前主要遙感衛(wèi)星的主要觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用反演得到的氣溶膠光學(xué)厚度空間分布數(shù)據(jù)結(jié)合PM2.5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立相關(guān)模型,即可實(shí)現(xiàn)PM2.5的遙感監(jiān)測(cè)。該微課堂講的就是如何基于ENVI 5.0反演氣溶膠的光學(xué)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(huì)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(zhǎng)波輻射的外逸,使大氣升溫。