大气气溶胶 气溶胶质粒群动力学
大气化学中的化学反应动力学
大气化学中的化学反应动力学大气化学是一个研究地球大气中的化学现象和气溶胶物理化学特性的学科。
其中，化学反应动力学是研究化学反应过程中速率、机理和热力学等方面的关键内容。
一、概述大气中的化学反应动力学包括气相反应、气相-液相反应和气相-气相反应等多种反应过程。
其实质是通过分析反应物生成产物的反应速率和化学反应机理，推断反应间的能量转移和物质传递过程，从而深入了解大气化学反应的规律和特点。
二、气相反应动力学气相反应动力学是大气化学中重要的研究内容之一，其研究对象是气态反应物与气态反应物之间的反应。
反应速率常数是气相反应动力学的重要参数，其值与温度、化学键能量、反应活化能等相关。
不同的气相反应反应机理也不同，典型气相反应机理包括离子中间体机理、游离基机理和复合机理等。
比如，大气中O3与NO的反应机理复杂，其机理包括NO_2、HO_2和BrO_2等中间体的形成和解离等多种反应路径。
三、气相-液相反应动力学气相-液相反应动力学是指气态反应物与溶液中的反应物相互作用反应的动力学过程。
典型反应包括气态有机物与水蒸气在云中的相互作用反应等。
在反应过程中，气态反应物先进入云中，然后与云中的水蒸气、反应物或气相中的游离基、自由基反应，形成某些产物。
四、气相-气相反应动力学气相-气相反应包括气态反应物与大气中的其他化学物种相互作用反应，如气态氧化物与NO、CO与OH等反应。
这些反应受到许多因素的影响，如反应的热力学条件、混合物浓度、温度和催化剂的存在等。
研究反应机理可以帮助解释大气中的化学复杂性，特别是在污染控制和环境变化方面的重要性。
五、结论化学反应动力学是大气化学研究中的重要方面，其研究可以帮助理解大气中化学现象的规律和特性。
在大气保护、污染控制和环境防治等方面也有一定的应用价值。
对于大气中的化学反应动力学进行深入研究有助于优化大气环境和预测大气变化趋势。
002.6大气环境化学 -气溶胶化学.大气颗粒物
空气动力学等效直径（Dp） 在气流中，如果所研究的颗粒物（任意密度
和形状）与一个单位密度的球形颗粒物的空气 动力学效应相同，则这个球形颗粒物的直径就 定义为所研究颗粒物的Dp。
Dp DgK p o
Dp表示所研究的粒子有相同终端降落 速度的密度为1的球体。
气溶胶粒子的成核是通过物理和化学过程形成的。 气体经过化学反应，向粒子转化过 程从动力学角度 上分为四个阶段
均相成核或非均相成核，形成细粒子分散在空气中 在细粒子表面，经过多相气体反应，使粒子长大 由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子继续长大 通过干沉降(重力沉降或与地面碰撞后沉降)和湿沉
降(雨除和冲刷)过程而清除
nm
PM2.5 PM10 100 m m 1 m m 10 m m
Whitby的三模态模型
<0.05μm, 爱根核模(aitken) 0.05μm≤Dp≤2μm, 积聚模(accumulation mode) >2μm，粗粒子模(coarse particle mode)
热蒸汽 冷凝
风沙
0.5~2.5
天 森林火灾
然 海盐粒子
来 火山灰
源
H2S、NH3、NOx、HC 转化
0.01~0.5 3.0
0.25~1.5 3.45~11.0
小计
7.21~18.5
沙石（农业活动）
人 露天燃烧
为
直接排放 来
源
SO2、NOx、HC 转化
小计
总计
0.5~2.5 0.02~1.0 0.1~0.9 1.75~3.35 2.37~7.55 9.58~26.05
可吸入粒子(inhalable particles或IP)，易于通过 呼吸过程而进入呼吸道的粒子, 国际标准化组织 (ISO)建议将IP定为粒径DP≤10 μm的粒子
大气气溶胶2-气溶胶基本特性
20～35 35～50
>50
6.9 0.3
0.0
20 粒径（um）
30
40
50
质量谱：单位尺度范围内、单位体积中气溶胶的质量，也称 为质量浓度。 单位： μg/cm3μm 或 mg/m3μm
质量谱与数浓度谱之间可以进行转化,假定气溶胶粒子是球形的， 其密度已知：
4 nm (r )d r r 3 n r d r 3
Urban polluted
Continental air Marine air
谱分布函数 的意义
1.便于理论分 析和计算。 2.不同气溶胶 物化特性的 比较。
3.4 谱分布函数
Junge谱分布 对数正态分布 函数 修正函数分布
对数二次曲线分布
3.4.1. Junge谱分布
Junge在上个世纪40年代到50年代 早期对相对干净的对流层和平流 层气溶胶的大量观测中发现总结。
2
： e
rmax
rmin
Qe m, , r πr n r dr
6
Z
rmax
rmin
(2r ) n( r )dr
(0.3)
主讲人：邱玉珺
方差2Leabharlann N r r i 1 i i
M
2
Ni
i 1
2 r r n N dr 0
M
1 N
N 数浓度（个/cm3 ） V
M 质量浓度（mg/m3，g/cm3 ） V
表面积浓度（ m2/m3 ）
S V
dS dV
体积浓度（ m3/m3 ）
气溶胶浓度随气溶胶粒子尺度的分布
3.2 谱分布
大气层中的气溶胶与大气颗粒物
大气层中的气溶胶与大气颗粒物气溶胶与大气颗粒物是大气中常见的两种物质。
它们对大气环境、天气和人类健康都有着重要的影响。
本文将从气溶胶和大气颗粒物的来源、组成、影响和控制等方面进行论述。
一、气溶胶的来源与组成气溶胶是指在大气中悬浮的微小颗粒状物质。
它们可以来自自然源和人为活动。
自然源包括火山喷发、风沙、植物挥发物、海洋蒸发等。
人为活动则主要包括燃煤、工业排放、交通尾气、农药使用等。
气溶胶的组成复杂多样，主要包括固态颗粒和液态颗粒。
固态颗粒包括灰尘、沙尘、煤烟、颗粒物等；而液态颗粒则主要是水蒸气在大气中凝结形成的云雾等。
此外，气溶胶中还含有各种化学成分，如硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物等。
二、大气颗粒物的来源与组成大气颗粒物是指在大气中悬浮的固态或液态颗粒物质。
它们与气溶胶类似，来源也包括自然源和人为活动。
自然源的大气颗粒物主要来自风沙、火山灰等，而人为活动会产生大量的工业粉尘、机动车尾气、燃煤排放等。
大气颗粒物的组成与气溶胶相似，也包括固态和液态颗粒。
固态颗粒主要有灰尘、细颗粒物、颗粒物等；液态颗粒则主要是水蒸气凝结形成的云雾等。
三、气溶胶与大气颗粒物的影响气溶胶和大气颗粒物对大气环境、天气和人类健康都有着重要的影响。
首先是对大气环境的影响。
气溶胶和大气颗粒物能够吸收、反射和散射太阳辐射，影响地球能量平衡，导致气温变化。
此外，它们还能作为云凝结核，在大气中形成云雾，影响降水形式和强度。
其次是对天气的影响。
气溶胶和大气颗粒物的存在会改变大气的稳定度和湿度分布，影响云的形成、演变和降水过程。
它们还会影响能见度，降低大气的透明度。
最重要的是对人类健康的影响。
气溶胶和大气颗粒物中的细颗粒物能够悬浮在空气中并被人们吸入，对呼吸道和心血管系统产生负面影响。
细颗粒物的长期暴露与呼吸系统疾病、心脑血管疾病、肺癌等疾病风险增加有关。
四、气溶胶与大气颗粒物的控制为了减轻气溶胶和大气颗粒物对大气环境和人类健康的影响，需要采取一系列控制措施。
大气气溶胶PPT课件
气溶胶分类（大气科学按粒径）
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气溶胶的源和汇
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气溶胶粒子对人体的危害
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大气气溶胶的浓度
粒子浓度是表征大气气溶胶特性的一个重要的物理量 数浓度、质量浓度、化学成分的质量浓度、面积浓度和体
积浓度 数浓度指单位体积空气中悬浮的粒子数，通常用个/cm3为
单位。质量浓度指单位体积空气中悬浮粒子的质量，用 mg/m3或ug/m3为单位 气溶胶粒子的浓度变化范围很大，受地理、气象和地域经 济结构不同的影响有很大差异。通常认为气溶胶本底的质 量浓度约为10ug/m3，数密度约为300个/cm3
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大气气溶胶的浓度
气溶胶浓度有明显的季节变化和日变化。 春季高于夏季，采暖季高于非采暖季。 日变化与近地面有大气逆温层的生消有关。
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大气气溶胶浓度随粒径的分布
大气气溶胶的浓度是 随其粒径不同而变化 的，就数浓度而言， 通常随尺度增加而减 小
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浓度分布函数
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粒子浓度随尺度分布的经验关系
次生气溶胶是指由微量气体通过成核与凝结转化为粒子。
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气溶胶粒子的成核作用
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气溶胶粒子的均相成核
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气溶胶粒子的非均相成核
当有外来粒子作为核心时，蒸汽分子凝结在该核心表面的 过程称为非均相成核
水溶性物质存在，或有现成的亲水性粒子存在时，常比纯 水更加容易成核、形成胚芽
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大气环境中气溶胶的化学反应动力学模拟
大气环境中气溶胶的化学反应动力学模拟在大气环境中，气溶胶起着至关重要的作用。
由于其微小的颗粒大小和大量存在的特点，气溶胶对气候变化、空气质量和生态系统健康产生着重要影响。
为了更好地理解气溶胶的化学反应动力学，科学家们进行了数值模拟研究，以揭示气溶胶的形成、变化和传输过程。
一、气溶胶的化学反应动力学模拟概述气溶胶的化学反应动力学模拟是利用计算机模型和化学反应动力学理论相结合的方法，对气溶胶的形成、转化和消失等反应过程进行模拟和预测。
它可以帮助我们了解气溶胶与大气中其他物质的相互作用过程，从而更好地预测和控制大气中的污染物。
二、模拟气溶胶的化学反应动力学的方法1.模型选择：根据研究目标和数据要求，选择合适的数学模型和计算方法，如传输模型、化学模型和降解模型等。
2.参数设定：将实验观测数据和已知的物理化学参数输入到模拟模型中，包括大气条件（温度、湿度、气体成分等）、气溶胶特性和反应物质的性质等。
3.模拟运算：通过计算机模型对气溶胶的化学反应进行数值模拟，在不同环境条件下预测气溶胶的演化过程。
4.模型验证：根据实测数据，对模拟结果进行验证和修正，提高模型的准确性和可靠性。
三、气溶胶的化学反应动力学模拟研究内容1.气溶胶的形成与转化：模拟气溶胶的核生成、凝聚和湿化过程，研究气溶胶颗粒的形成、增长和变化机制。
2.气溶胶的化学性质：模拟气溶胶与大气中其他气体和化合物的相互作用，研究气溶胶对大气化学反应的影响。
3.大气污染控制：通过模拟不同控制策略和措施，评估其对气溶胶浓度和组成的影响，为大气污染治理提供决策支持。
4.环境健康效应：模拟气溶胶的化学反应动力学，研究气溶胶对空气质量和健康影响的机制，为环境保护和健康风险评估提供科学依据。
四、气溶胶化学反应动力学模拟的应用前景与挑战气溶胶化学反应动力学模拟在大气环境研究中具有重要的应用前景。
它可以帮助我们更好地理解气溶胶的形成和变化机制，揭示气溶胶对大气化学反应和环境健康的影响，为大气污染治理和空气质量改善提供科学依据。
大气环境中气溶胶的化学反应动力学参数
大气环境中气溶胶的化学反应动力学参数气溶胶是大气环境中的重要组成部分，对空气质量和气候变化有着重要的影响。
了解气溶胶的化学反应动力学参数对于揭示其形成、变化和消失过程至关重要。
本文将探讨大气环境中气溶胶的化学反应动力学参数，并对其研究方法和应用进行讨论。
一、气溶胶的化学反应动力学参数概述1.1 气溶胶的定义和分类气溶胶是由固体或液体微粒悬浮在气体中形成的复合系统。
根据微粒的尺寸和化学组成，气溶胶可以分为可见气溶胶和细颗粒物（PM2.5、PM10等）。
1.2 化学反应动力学参数的定义化学反应动力学参数是描述化学反应速率和机理的量化参数，包括反应速率常数、活化能、表观反应级数等。
二、气溶胶化学反应动力学参数的研究方法2.1 实验方法一种常用的实验方法是使用封闭反应室进行模拟实验。
通过监测反应物浓度的变化，可以得到反应速率常数。
此外，还可以利用光谱仪、质谱仪等分析技术，研究气溶胶的化学组成和反应过程。
2.2 理论计算方法理论计算方法主要基于分子动力学模拟和量子化学计算。
分子动力学模拟可以模拟气溶胶的运动和碰撞过程，进而得到反应速率常数。
量子化学计算可以计算反应物的势能面和活化能，从而获得反应速率常数。
三、气溶胶化学反应动力学参数的应用3.1 环境模型预测通过建立大气环境模型，结合化学反应动力学参数，可以对气溶胶的生成、转化和消失过程进行模拟和预测。
这对于控制大气污染和改善空气质量具有重要意义。
3.2 气候变化研究气溶胶对气候变化有着重要的影响，了解其化学反应动力学参数可以揭示气溶胶参与的气候反馈机制。
例如，硫酸盐气溶胶可以通过化学反应形成云凝结核，进而影响云的形成和辐射平衡。
3.3 空气污染治理认识气溶胶的化学反应动力学参数有助于制定合理的空气污染治理策略。
通过研究气溶胶的转化和消减过程，可以提高大气清洁技术的效率，并减少污染物的排放。
四、结论气溶胶的化学反应动力学参数是研究大气环境和空气质量的重要内容之一。
米氏动力学方程
米氏动力学方程
摘要：
一、米氏动力学方程的背景与定义
二、米氏动力学方程的基本原理
三、米氏动力学方程在现实中的应用
四、米氏动力学方程的局限性与未来研究方向
正文：
米氏动力学方程，全称为Michelson-Morley 方程，是描述气体或液体中颗粒（如气溶胶）在光辐射场作用下的动力学行为的数学方程。
该方程由爱德华·莫尔斯·米氏（Edward Morse Michelson）在19 世纪末提出，是当时对颗粒在光辐射场中受力机制的重要理论贡献。
米氏动力学方程的基本原理是：颗粒受到的辐射力与颗粒的表面积、光辐射的强度、颗粒与光源的距离以及颗粒的吸收系数成正比。
在此基础上，颗粒受到的辐射力导致颗粒运动，运动速度与辐射力成正比，且与颗粒的半径成反比。
米氏动力学方程在现实中有广泛的应用，例如在环境科学中，可以用来研究气溶胶在大气中的传输、扩散和沉降过程；在生物医学领域，可以用来分析光辐射对细胞和生物组织的影响；在材料科学中，可以用来研究光辐射对材料表面性能的影响等。
然而，米氏动力学方程也存在一定的局限性。
首先，该方程是基于一些简化的假设，如颗粒为球形、辐射场为平面波等，在实际应用中可能需要对方程
进行修正。
其次，米氏动力学方程并未考虑颗粒之间的相互作用，这在对颗粒群体的研究时可能需要加以考虑。
因此，未来关于米氏动力学方程的研究方向将包括对假设条件的修正以及对颗粒间相互作用的建模。
总之，米氏动力学方程作为描述颗粒在光辐射场中动力学行为的重要方程，为相关领域的研究提供了理论基础。
大气环境化学概述
大气环境化学概述一、引言大气环境化学是研究大气环境中各种化学成分与过程的相互作用和影响的一个重要学科，其研究对象包括大气中的气态和颗粒态污染物、大气化学反应过程、大气光化学和大气中的气溶胶等。
大气环境化学的研究对于理解和减少大气污染、改善空气质量、保护人类健康和生态环境具有重要意义。
二、大气环境化学的研究内容1.大气中的主要污染物：大气中的主要污染物包括臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机化合物（VOCs）等。
2.大气中的化学反应过程：大气中的化学反应过程是大气环境化学的核心内容，包括氧化反应、光解反应、光化学反应等。
3.大气中的气溶胶：气溶胶是大气中的微粒，对大气光学特性、云和降水形成、空气污染等方面具有重要影响。
4.大气污染物来源与传输：大气污染物的来源包括自然来源和人为来源，而传输过程则直接影响大气污染的空间分布和浓度水平。
三、大气环境化学的研究方法1.实地观测：通过建立大气污染源监测站和气象站，实时监测和记录大气中的污染物浓度、气象参数等数据。
2.模型模拟：利用数学模型对大气中的化学反应过程和污染物传输进行模拟和预测，为空气质量预报提供科学依据。
3.实验室研究：通过实验室模拟大气环境中的化学反应过程，探究不同污染物之间的相互作用和影响。
4.多学科交叉研究：大气环境化学是一个跨学科领域，需要与大气物理学、气象学、环境科学等学科相互交叉，并结合相关技术手段开展研究。
四、大气环境化学研究的应用与前景1.空气质量管理与控制：大气环境化学研究为改善空气质量提供科学依据，指导制定大气污染防治政策和措施。
2.气候变化研究：大气中的气溶胶和温室气体等化学成分对气候变化起着重要作用，大气环境化学研究对于气候变化机制的解析具有重要意义。
3.健康保护与风险评估：大气污染物对人类健康和生态环境产生危害，大气环境化学研究可以帮助评估大气污染对人体健康和生态系统的影响，保护人类健康。
五、结语大气环境化学作为一门交叉学科，已经成为应对大气污染和气候变化等环境问题的重要研究领域。
气溶胶知识讲解
气溶胶本节内容要点：气溶胶的定义、分类、源、汇、粒径分布、气溶胶粒子的化学组成、气溶胶的危害、气溶胶污染源的推断等1）气溶胶的定义和分类气溶胶（aerosol）是指液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。
微粒的动力学直径为0.002〜100卩m由于粒子比气态分子大而比粗尘颗粒小，因而它们不象气态分子那样服从气体分子运动规律，但也不会受地心引力作用而沉降，具有胶体的性质，故称为气溶胶。
实际上大气中颗粒物质的直径一般为o.ooi〜ioo卩m大于io ym的颗粒能够依其自身重力作用降落到地面，称为降尘；小于1oym的颗粒，在大气中可较长时间飘游，称为飘尘。
按照颗粒物成因不同，可将气溶胶分为分散性气溶胶和凝聚性气溶胶两类。
分散性气溶胶是固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中形成的气溶胶。
凝聚性气溶胶则是由气体或蒸汽（其中包括固态物升华而成的蒸汽）遇冷凝聚成液态或固态微粒，而形成的气溶胶。
例如二氧化硫转化成硫酸或硫酸盐气溶胶的过程如下：•二氧化硫气体的氧化过程•气相中的成核过程（液相硫酸雾核）在过饱和的H2SO4蒸气中，由于分子热运动碰撞而使分子（n个）互相合并成核，形成液相的硫酸雾核。
它的粒径大约是几个埃。
硫酸雾核的生成速度，决定于硫酸的蒸气压和相对湿度的大小。
粒子成长过程硫酸粒子通过布朗运动逐渐凝集长大。
如果与其他污染气体（如氨、有机蒸气、农药等）碰撞，或被吸附在空中固体颗粒物的表面，与颗粒物中的碱性物质发生化学变化，生成硫酸盐气溶胶。
根据颗粒物的物理状态不同，可将气溶胶分为以下三类：⑴固态气溶胶--烟和尘；⑵液态气溶胶--雾；（3）固液混合态气溶胶--烟雾（smog）。
烟雾微粒的粒径一般小于1卩m （见表2-13）。
气溶胶按粒径大小又可分为：（1）总悬浮颗粒物（total suspended particulates 或TSP）用标准大容量颗粒采样器（流量在1.1〜1.7m3/min）在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物，它是分散在大气中各种粒子的总称。
大气气溶胶PPT课件
来源； 另一方面，随着工业的不断发展，人类各种活动越来
越占主导地位，以至在气溶胶粒子中人为源所占比例逐年 增加。
16
二．汇
1．干沉降：
颗粒物在重力作用下或与地面及其它物体碰撞后，
发生沉降而被除去。粒径越大，沉降速度越快（v∝d 2） 沉降速度为v的粒子，从该粒子密度最大的高
5
二．粒径
大气颗粒物的大小或称粒径是粒子的最重要的性质， 一般用半径或直径表示，这就意味着将它们看成球体。大 气气溶胶的粒子形状是很复杂的，有接近球形的液体微粒， 有片状、柱状、针状晶体微粒，有雪花状晶体微粒，还有 形状及不规则固体微粒。
空气动力学等效直径
若不规则气溶胶粒子沉降速率与密度=1的球形粒 子沉降速率相同，则这个球形粒子的直径就被定义为所 研究粒子的空气动力学等效直径。
胶体分散法
胶体溶液 气溶胶 （空气介质）
分子分散系 凝聚法
真溶液
分子形式存在
4
大气气溶胶的作用
❖ 当太阳光通过大气时，气溶胶粒子能够散射 太阳光，使大气能见度降低，减弱了太阳的辐 射。 ❖ 由于气溶胶粒径特别小，表面积大，因此为 大气中的许多化学反应提供了良好的反应床； ❖ 某些化学成分（如微量金属离子）对许多化 学反应都有催化作用。
② 液态气溶胶——雾 由液滴分散在空气中形成的液态气溶胶，称为雾。
③固液混合态气溶胶——烟雾
由固液两种微粒分散在空气中形成的固液混合态气溶胶叫
烟雾。
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四．气溶胶的浓度
质量浓度(mg/m3 ), 数浓度（个/cm3）。
通常认为气溶胶本底的质量浓度约为 10 ug/m3 ，数浓度约为300个/cm3；
第二章第一节气溶胶
小知识
随着粒子尺度的变化，粒子也会表现出不同 的物理特性。例如，100μm的铝粒子爆炸性很 微弱，其最低引燃能量为200mj，而10μm的铝 粒子，最低引燃能量仅为10mj，爆炸性很强 烈。这正是比如面粉加工厂等多粉尘的地方需 要特别注意的。
4、粒子浓度和粒子浓度随高度的分布
粒子浓度 是描述大气气溶胶特性的另一个 重要物理量。表示粒子浓度的方法有好几种， 如数浓度、质量浓度和化学成分质量浓度等 等。数浓度定义为单位体积空气中悬浮的粒子 的数目。气溶胶的质量浓度定义为单位体积空 气中气溶胶物质的质量。有时也用气溶胶粒子 的质量与空气的质量之比来度量气溶胶粒子的 质量浓度。
3、粒子的等效尺度和常用特征尺度
空气动力学等效直径 在气流中，如果所研 究的粒子与一个有单位密度的球形粒子的空气 动力学效应相同．则这个球形粒子的直径就被 定义为所研究粒子的空气动力学等效直径． 一切根据惯性原理设计的撞击式测量仪器所 测量的粒子直径都是空气动力学等效直径；根 据带电粒子的迁移速率与粒子尺度的关系设计 的粒子尺度测量仪器所测量的也是空气动力学 等效直径。 例1
常用的特征尺度
核模态(r<0.05μm)，积聚模态(0．05＜r ＜1．oμm＝和粗模态(r＞1.0μm)。 大气物理学(云、降水物理)中常把凝结核分 为爱根核、大核和巨核。所谓爱根核即指半径 小于0.1μm的质粒，因爱根(Aitken)最先使用 凝结核计数器对这种尺度的质粒进行测量而得 名。大核的半径范围为o.1μm~1.0μm，巨核 指半径大于l.0μm的质粒，它们在尺度范围的 区分上与三模态基本一致。
实际大气的经验描述
观测的大气气溶胶粒子数谱分布可分成三个模 态，实际上大气气溶胶还有另一种由气体转化成的更 小的粒子，一般光学仪器探测不到。这样，大气气溶 胶是由4种尺度谱分布不同的气溶胶混合面成的。4种 气溶胶体系的粒子数谱分布的峰值分别出现在半径为 0.0l~0.05μm ， 0.15 ～ 0.3μm ， 0.5 ～ lμm 和 5— 10μm范围之内。因此，要描述大气气溶胶在整个尺 度范国内的粒子数谱分布，最好用一个四项式。每一 项代表一种气溶胶。考虑到气溶胶粒子的形成过程的 随机特点，每一种气溶胶的粒子数谱分布可用一个正 态分布函数表示，即整个大气气溶胶的粒子数谱分布 函数是4个参数不同的正态分布函数组成的四项式。
第七讲 大气气溶胶
环境空气质量标准分为三级 一类区执行一级标准 二类区执行二级标准 三类区执行三级标准
环境空气质量标准 GB 3095-1996
3
• 凝结核
7.2.5 其它
• 能见度
• 辐射
• 提供多相反应的表面
• 光化学烟雾
• 酸雨
2010-1-7
Fbdown
反射率/ reflectance 吸收率/ absorptivity 透过率/ transmittance
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
大气层/ atmospheric layer
z2
* 光学厚度： τ = ∫ ke(z)dz z1
卫星遥感 satellite-borne radiometer/spectrometer
I0
I(λ) = I0(λ) exp(- τ)
τ = τm+τg+τa
τm Rayleigh scattering
I(λ)
τg Gas absorption
τa Aerosol optical depth
7.3.2 气溶胶气候效应
can be calculated with Mie theory.
气溶胶光学特性 Optical properties of atmospheric aerosols
单个粒子 / Single particle
单次散射反照率/ single scattering albedo
ω = σs /σe (散射)相函数/ phase function
内容提要
大气气溶胶
对人体健康的影响
气溶胶能吸附 SO2、NOx 及气态有机有毒物质（如 PAHs、PCB等），并在气溶胶表面发生多相反应。
H2O
SO2, COS, DMS
O3, H2O2
矿尘 黑碳
海盐 硫酸盐
NOx
硝酸盐
VOCs
Virus
OH,NO3 radicals
PAH, PCB
主要内容
大气气溶胶的化学组成
气溶胶粒子的化学组成
气溶胶辐射强迫
辐射强迫的定义：单位 W/m2
全球气候的变化由地气系统辐射平衡状况 决定。任何对该系统平衡的扰动并因而使 气候发生变化的因子成为辐射强迫因子， 主要有温室气体、云和气溶胶等。
在描述这些因子对气候的潜在影响时，往 往采用“辐射强迫”（radiative forcing）。
气溶胶辐射强迫
间接辐射强迫：可作为云凝结核， 影响云的微物理特性和宏观云量，影响 地－气系统的水循环，产生更加复杂和 不确定的间接辐射强迫。
气溶胶辐射强迫
与温室气体的辐射强迫比较：
1.对流层大气中气溶胶的生命周期很短，导致 空间分布高度不均，而且与排放源有关；
2.气溶胶直接辐射强迫是散射太阳短波辐射的 过程，主要在白天和夏季起主导作用。即具有 明显的日变化和季节变化。
❖ 重要性：
1. 化学 (干湿沉降,光化学烟雾,多相反应界面 etc.) 2. 气候效应 (直接气候效应及间接气候效应) 3. 环境质量（能见度） 4. 健康效应
对大气能见度的影响
气候效应
气溶胶通过直接和间接方式影响大气辐射传输和地-气系统辐 射收支平衡，对气候变化、云降水等影响巨大。
1750-2000年间各种辐射强迫因子的全球平均辐射强迫
大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制
大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制一、引言大气环境中的气溶胶是指悬浮在空气中的微小颗粒物，由于其微小的粒径和较长的停留时间，气溶胶对大气的物理和化学过程产生显著影响。
其中，气溶胶的化学反应动力学机制是指气溶胶在大气中的化学变换速率和反应过程。
本文将探讨大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制。
二、气溶胶的来源和组成大气中的气溶胶主要来自于自然源（如火山喷发、沙尘暴等）和人类活动（如燃煤、工业排放等）。
气溶胶的组成包括无机离子、有机物质、元素碳等。
其中，无机离子主要包括硫酸盐、硝酸盐和铵盐等，有机物质主要包括挥发性有机物和非挥发性有机物。
三、气溶胶的化学反应动力学机制3.1扩散过程气溶胶的化学反应动力学机制中的一个重要过程是扩散过程。
扩散是指气溶胶颗粒之间或气溶胶颗粒与气体分子之间的物质传递过程。
气溶胶颗粒之间的扩散受到颗粒的粒径、形状和浓度梯度等因素的影响。
此外，气体分子在气溶胶颗粒表面的扩散也是化学反应中的一个重要过程。
气体分子通过与气溶胶表面的相互作用发生吸附和解吸过程，从而影响气溶胶的化学反应速率。
3.2化学反应速率常数气溶胶的化学反应速率常数是评价气溶胶中化学反应动力学机制的重要参数。
速率常数表示在单位时间和单位表面积上发生的反应物的消耗或生成量。
速率常数受到温度、湿度、气体浓度和反应物种类等因素的影响。
在大气环境中，不同气溶胶组分的化学反应速率常数是十分复杂和多变的，需要通过实验测定和理论模拟来确定。
3.3影响因素大气环境中气溶胶的化学反应动力学机制受多种因素的影响，包括温度、湿度、光照和气溶胶的化学组成等。
温度和湿度对气溶胶的反应速率常数有重要影响，较高的温度和湿度可加快气溶胶的化学反应速率。
光照对一些气溶胶中光敏物质的化学反应也具有重要作用。
此外，气溶胶的化学组成对其化学反应动力学机制也产生显著影响，不同组分的气溶胶存在着不同的反应路径和速率常数。
四、气溶胶的化学反应机制研究方法4.1实验方法实验方法是研究气溶胶化学反应动力学机制的重要手段。
第五章-气溶胶粒子群动力学
3
层流切变与布朗聚合的相对强度可用他们对应的收集核函 数比表示：
K LS rp , rp） （ 3 dp K（rp , rp） 2kTCc B
2.湍流切变聚合
湍流切变的收集核函数为：
上式主要由量纲分析法得到，其中ε表示单位质量的动能 耗散率，ε＝Δu3/L 1956年Saffmann和Turner由模拟实验计算得到湍流切变 的收集核函数为：
倍为粒子的半径值，对于粒径范围广的气溶胶系统，因分 割数过多而不大实用。
变换法以最小粒子体积v0为基本粒子单位，把i粒子的体
积v(i)表示成v0ab(i-1)（a,b为常数），即把n(v,t)变换成 n(i,t)的计算方法。
区间分割法把气溶胶粒子的范围分为L个区间，对各区
间把方程进行离散化处理，对含有k种化学成分的多组分 系统，将求解L×k个联立常微分方程式，该法是模拟多重 组分气溶胶动力学的适用方法。
4.3
e为电子电荷，ε为介质的介电常数，将4.3式代 入4.1式得到：
其中
k可以理解为两个荷电粒子接触时，其静电势能与热能 kT的比率
气溶胶粒子的平均荷电量表示为：
平均荷电量随粒子的尺度dp和k值变化
注：只有在粒子的荷电量远超过平均荷电量时，才
需要考虑电力聚合；另外，粒子还受到声场的影响 而产生聚合（略）。
湍流切变聚合与布朗聚合的相对大小用下面的比率表示：
Cc
3.湍流惯性聚合
粒子因空气介质的层流和湍流运动形式而产生速度切 变，从而引起聚合。如考虑到粒子与空气介质有相对运动 速度时，粒子与空气介质具有不同的惯性，使得不同尺度 的粒子之间产生相对运动而引起聚合。
湍流惯性聚合与湍流切变聚合的相对强度由比值得到：
空气动力学粒径的光学修正
要是测 量动 力学谱分 布和 光学谱 分布 ¨。 学等效 直径 是 与大 气气溶 胶粒子具 有相 同光 散射 屙 Ｉ Ｊ光 生的胶 乳 球 形粒子 （ 率 ｍ １ ９ｉ．０ ， Ｏ５９ｗｎ的直径 ，空 气动 力学直 径 是指 在重 力作用 下 ，与所 研究粒 折射 － ． 一 ００ ． ） ５ ０ ８ 子具有相 同极 限沉 降速度 的单位 密度（ ・ 球 的直径 Ｌ。 由于测量 原理 的不 同导致 使用 动力学原 理和 光 １ｇｃ ） ｍ ２ Ｊ
１ 引 言
大气气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素 ，大气科学的很多领域都与气溶胶有关。大气气溶 胶对气候变化、大气环境和居民健康有重要的直接和间接的影响，大气气溶胶谱分布是研究气溶胶特性的
一
个重要参数。 目 ，测量气溶胶谱分布的方法很多。但最有效的和能够实时测量气溶胶谱分布的方法主 前
的折射率结合黑碳仪和浊度计的测量结果对厦门地区空气动力学粒度仪（３１ ３２） 测量的空气动力学粒径数据进行光 学修正，与光学粒子计数器测量结果对比表明修正的结果是合理的。最后还对引 起空气动力学粒径和光学等效粒
径之 间差异的原 因进行 了分析 。
关键词 ：大气气溶胶 ；空气动 力学粒径；光学等效粒径；折射率
Ａｅ ａｏ ｅｅ （ ）ａ ｔ ａ ａ ｉｅＣ ｕ ｔ （ Ｐ ） ｎ ｎＩｔｇａ ｎ ｐ ｅｏ ｔ Ｉ ｏｒｖｓ ｅ ｅｏ ｙ ａ ｉ ｔ ｌｍ ｔｒＡＥ，ｎＯｐｉ ｌ ｒｃ ｏｎｅ Ｏ Ｃ ａ ｄａ ｅｒｔ ｇ ｈ ｌ ｅ Ｎ）ｔ ｅ ｉ ｔ ｒｄ ｍ ｃ ｈ ｃ Ｐｔ ｌ ｒ ｎ ｉ Ｎｅ ｍｅ ｒ（ ｅｈ ａ ｎ
空 气 动 力学 粒径 的光 学修 正
李学彬 ，黄印博 ，宫纯文 ，魏合理 ，胡欢陵
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1.单分散球形粒子的布朗聚合
粒子1固定在坐标原点，其 他粒子通过布朗运动与粒子 1发生碰撞； 粒子浓度N0,粒子半径为rp
y
rp
o rp
x
吸收球
碰并通量（单位时间、单位面积碰并
率，由Fick第一定律得到）：
J D dN dx （1）
y
rp
o rp
x
球面通量（单位时间通过吸收球表面的粒子数）：
K12＝
8kT 3
0.02
不同粒子尺度的收集核函数K12为：
Dp2
0.002 0.01 0.1 1.0 10 20
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；
dN dt
K0N 2
（7）
3
K0 8 rpD
D＝ kTCc 3rp
将扩散系数D代入收集核常数K0中，得到(rp>0.1μm)：
K
＝
0
8kTCc 3
对大粒子，因其滑动订正因子可忽略，K0与粒子的尺度 没有关系；但对小粒子而言，因其滑动订正因子Cc的原
因，K0随粒子尺度减小而增大。
标准大气状态下， K0简化为：
解：已知 K0＝3.0×10-10×1.2=3.6×10-10 (cm3/s)
t=10×60=600s
N0=108/cm3
N
(t)
1
N0 N0K0t
＝ 1 108
108 3.6 1010
＝4.4 600
106
/
cm 3
1
1
r(t) r0 (1 N0Kt)3 0.8 (1108 3.61010 600)3＝2.26m
Nt (t) 0 n(v,t)dv 0 n(r,t)dr
dNt (t) n(r,t)dr n(v,t)dv dt
v 4 r3 3
dv 4r2dr
n(r,t) 4r2 n(v,t)
粒子群聚合方程
+
第i类粒子
第j类粒子
第i类粒子和第j类粒子聚合，产生新的聚合体Nij (cm-3·s-1) ， 则有：
dn dt
As J
4
(2rp
)2
D
dN dx
（2）
dn dt
As J
16
rp 2 D
dN dx
（2）
（Fucks,1964)碰撞表面的浓度梯度表示为：
dN 2N 2N
dx
r吸收球
2rp （3）
联合（2）式和（3）式得到粒子1的碰撞率为：
dn dt
16 rpDN
（4）
单位体积中有N个粒子，单位体积的碰撞率：
体积为vk聚合体的产生率为：
Jk
生成
N t
k
生成
1 2 i jk
Nij
1 2 i jk
K (vi , v j )Ni N j
Vk聚合体+其他粒子聚合=新粒子，则vk聚合体的消失率为：
Jk
消失
Nk t
消失
i 1
Nik
i1
K (vi , vk )Ni Nk
Jk
生成
N t
Jk
Nk t
1 2
i
jk
Nij－
i 1
Nik
对j求和，离散型聚合方程就可以转化为聚合方程：
聚合系数Kij假设为常数K，得到：
再对k求和得到：
N（t）
dN dt
K0N 2
1 N2
dN
K0dt
求积分得到：
1 N(t)
1 N0
K0t
K0聚合系数，也称为 收集核常数。
N(t) N0 1 N0K0t
粒子聚合过程中，质量守恒。质量浓度Cm为：
第4章.大气气溶胶 粒子群动力学
一、聚合方程
布朗聚合、层流切变聚合、湍流切变聚合、 湍流惯性聚合、重力场中聚合、其他外力场聚合
二、一般动力学方程
聚合作用是小于次μm粒子长大的主要机制。
单分散球形粒子
外部混合粒子群——内部凝聚体. 数浓度减少； 体积浓度不变； 总质量不变。
习题1：试推导体积浓度N(v)与数浓度N（rp）的转换关系式。
Cm
N0
6
pr03
N(t) 6
p (r(t))3
r(t)
(
N0
1
)3
r0 N (t)
N(t) N0 1 N0K0t
r(t) r0 (1 N0K0t)3
例题1：标准状态下，具有相同粒径0.8μm的单分散球形 粒子，初始数密度为108/cm3,问10min后粒子浓度 和粒径如何变化？(Cc=1.2)
K12＝
2kTCc 3
(rp1
rp
2
)(
1 rp1
1 rp 2
)
K0＝
8kTCc 3
K12＝
2kT 3
(rp1
rp
2
)(
1 rp1
1 rp 2
)
当rp2>>rp1时，有：rpl1imrp 2
K12
2kT 3
rp 2 rp1
K12＝2 (rp1 rp2 )(D1 D2 )
K12＝2 (rp1 rp2 )(D1 D2 )Cc
Nij K (vi , v j )Ni N j
Nij单位体积空气中体积分别为vi和vj的两类粒子（第i类和第j 类粒子）在单位时间内的碰撞次数
Ni: 第i类粒子的数浓度(cm-3) K: 聚合(碰并)系数、核函数、碰撞频率函数(cm3· s-1)
1
+
体积Vi 数浓度Ni
体积Vj 数浓度Nj
体积Vk 数浓度Nk
dnc dt
N 2
(16 rpDN ) 8 rpDN 2
（5）
dN
将数浓度梯度的变化方向考虑进去，得到碰撞率为：dt
K0N 2
dN dt
8 rpDN 2
（6）
将K0定义为布朗聚合系数，也称收集核(coagulation coefficient)常数:
K0 8 rpD
将K0代入（6）式得到聚合方程的常用形式：
k
生成
1 2 i jk
Nij
1 2 i jk
K (vi , v j )Ni N j
Jk
消失
Nk t
消失
i 1
Nik
i 1
K (vi , vk )Ni Nk
所以，Nk(t)的变化率为：
Jk
Nk t
1 2
i jk
Nij－
i 1
Nik
k个单体的离散型聚合方程：
Nij K(vi , v j )Ni N j
作业：由氧化镁组成的烟雾，其初始数密度为107/cm3,粒径 为0.2μm，问经过多少时间后其数密度降到106/cm3？相应 的粒径为多少？（K0=5×10-10 cm3/s ） (30min,0.43 μ m)
2
dN dt
K0N 2
布朗、层流切变、湍流切变、 湍流惯性、重力场中、其他外力场
第2节 布朗运动聚合系数
K0＝3.0×10-10Cc (cm3/s)
rp>0.1μm
大气中单分散气溶胶粒子的聚合系数
2.不同尺度粒子的布朗聚合
K0 8 rpD
收集核函数为：
2 (rp rp ) (D D)
K12＝2 (rp1 rp2 )(D1 D2 )
扩散系数Stokes公式给出：
Di＝
kTCc 3rpi
收集核函数又可以表示为：