大气气溶胶综述

__________________________________________________

大气气溶胶综述

大气气溶胶概述：

气溶胶由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介

质中形成的分散体系，又称气体分散体系。其分散相

为固体或液体小质点，其大小为10-3cm～10-7cm，分

散介质为气体。云、雾、尘埃、未燃尽的燃料产生的

烟、气体中的固体粉尘等等都是气溶胶。

中悬浮均匀分布的相当数量的固体微粒和液体微

粒，如粉粒、（特别是）、烟尘和等多种物质，所构

成的稳定混合物，统称为粒子。

气溶胶的消除，主要靠大气的降水、小粒子间的

碰并、凝聚、聚合和沉降过程。

尺度

一般说来,半径小于1微米的粒子，大都是由气体

到微粒的成核、、凝聚等过程所生成；而较大的粒子，

则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在

结构上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的气

溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物

理过程。 液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形

状不规则，其半径一般为 10-3～102微米。粒径在

10-1～101微米的气溶胶在大气光学、、大气化学、

__________________________________________________

__________________________________________________

和云物理学等方面具有重要作用。

小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒

子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的

过程中， 受的阻力和重力的作用达到平衡时， 各种

粒子的沉降速度不同。

分类

气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式

直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由

一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬

起的细灰和微尘、溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的

散落物以及森林燃烧的等天然源，也可以来自化石和

非的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为

源。

按粒径的大小分类：

①总悬浮颗粒物(TSP)：用标准大容量颗粒采

样器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。 D(粒径)在100m以下，其中多数

p

在10 m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。

②飘尘： D ＜10m能在大气中长期飘浮的

p

悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。

③降尘：能用采样罐采集到的大气颗粒物。

在TSP中直径大于30 μm的粒子由于自身的重力作用

__________________________________________________

__________________________________________________

会很快沉降下来，这部分颗粒物称为降尘。

④可吸入粒子：易于通过呼吸过程而进入呼

吸道的粒子。目前国际标准化组织(ISO)建议将其定为

D≤10 μm。

p

⑤细粒子：其粒径小于2.5 μm，记为：PM

2.5

按颗粒物成因分:

1.分散性气溶胶：指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，

如海浪分溅、农药喷洒等。

2.凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽遇冷凝聚

成液态或固态微粒而形成的气溶胶

按颗粒物的物理(凝聚)状态分:

1.固态：烟、尘

2.液态：雾

3.固液混合：霾、烟雾

化学成分

气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金

属、无机氧化物、、硝酸盐和含氧有机化合物等。由

于来源不同，形成过程也不同，故其成分不一，特别

是城市大气受的影响，气溶胶的成分变动较大。但是

非城市大气气溶胶的成分比较稳定，大体上与地区的

土壤成分有关。

__________________________________________________

__________________________________________________

大气中转化形成的盐，是气溶胶的主要成分之一。

其转化过程尚未完全明白，已知二氧化硫可在均相条

件下（在气相中），或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒

表面等多相条件下（在液相或固相表面上）转化成三

氧化硫，再与水反应生成硫酸，并和金属氧化物的微

尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素，

其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状

况（见）。

气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。

气溶胶中有(NH嬃)存在,能与硫酸根离子(SO娺)和硝

酸根离子(NO婣)生成铵盐。至于气溶胶中的有机物,

更是许多种类有机物的复杂，其中包括稀烃、烷烃、

芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯，以及有机氮

化物和有机硫化物等。

气溶胶来源于土壤的各种元素（如铕、钠、钾、

钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝等），其含量

在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如

氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等），就

有较大的地区差别。

浓度分布

气溶胶的浓度，可以用一定体积中微粒的总质量

来表示，基本单位是微克/米，也可以用数密度即单位

__________________________________________________

__________________________________________________

体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可

用其粒子数目(n)、粒子表面积(S)、粒子的体积(V)

或质量(m)按粒径大小 (D)的分布来描述，一般作

dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD对lgD的分布图,它

们基本上呈正态分布。对于半径(r)在0.1微米和10

微米之间的粒子，一般用容格(Junge)分布来表示，即：

n(r)＝Cr

式中v近似等于3,C 是正比于粒子浓度的常数。

但是20世纪70年代以来,有人提出三模态大气气溶胶

的分布(爱根核模、积聚模和粗粒子模)。 图中还示出

它们的粒径范围、主要质量源以及质量的输入或去除

的主要过程。由此可见，爱根核范围的粒子是由高温

过程或化学过程产生的蒸汽凝结而成；积聚作用范围

的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结长大而

形成，80％以上的大气硫酸盐微粒属于此模；粗粒子

则是由液滴蒸发、机械粉碎等过程形成。细粒子和粗

粒子的分界线通常直径为2微米左右。从对人体呼吸

道的危害看来,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微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率

增加,0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管

内附着的比率增加。 半径小于0.1微米的粒子,其数

__________________________________________________

__________________________________________________

密度随离地面高度的增加而减小，这表明它们来源于

地表；但半径0.1～1微米的粒子,其数密度在对流层

顶上部随高度逐渐增加,并且在15～20公里附近出现

极大值，形成平流层内的气溶胶层，这层气溶胶可能

是火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成

的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几，但对

于大气的气温有重要的影响。 通过大气遥感可探

测气溶胶粒子的平均谱分布。

特性：

由于气溶胶的分散介质是气体，气体的粘度小，

分散相与分散介质的密度差很大，质点相碰时极易粘

结以及液体质点的挥发，使气溶胶有其独特的规律性。

气溶胶质点有相当大的比表面和表面能，可以使一些

在普通情况下相当缓慢的化学反应进行得非常迅速，

甚至可以引起爆炸，如磨细的糖、淀粉和煤等。 气

溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太

阳落山时成为红色的原因。在动力性质方面，其布朗

运动非常剧烈，当质点小时具有扩散性质；当质点大

时，由于与介质的密度差大，沉降显著。因介质是气

体，这些动力性质与气体分子自由路程有关。在电学

性质方面，气溶胶粒子没有扩散双电层存在，但可以

__________________________________________________

__________________________________________________

带电，其电荷来源于与大气中气体离子的碰撞或与介

质的摩擦，所带电荷量不等，且随时间变化；质点既

可带正电也可带负电，说明其电性决定于外界条件。

在稳定性方面，气溶胶粒子没有溶胶粒子那样的溶剂

化层和扩散双电层，相碰时即发生聚结，生成大液滴

(雾)或聚集体(烟)，此过程进展极其迅速，所以气溶

胶是极不稳定的胶体分散体系，但由于布朗运动的存

在，也具有一定的相对稳定性。

作用：

气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。

它们能作为水滴和冰晶的凝结核（见大气凝结核、大

气冰核）、太阳辐射的吸 收体和散射体，并参与各种

化学循环，是大气的重要组成部分。

气溶胶粒子能够从两方面影响天气和气候。一方

面可以将太阳光反射到太空中，从而冷却大气，并会

使大气的能见度变坏另一方面却能通过微粒散射、和

吸收一部分太阳辐射，减少地面的外逸，使大气升温。

研究称气溶胶对全球变暖的“冷却效应”很微弱。

一位挪威科学家表示，他已经估测出了气溶胶到底能

对气候产生多大影响。

__________________________________________________

低，到达地面的太阳关减少，降低地表温度，影响

植物的生长。同时气溶胶能为酸雨的形成提供良好

的反应条件，这就促进了酸雨的形成。

气溶胶不仅对能见度和气候有巨大的作用, 而

且对人体健康和生活质量也有巨大的影响。人们在

呼吸时吸入的不是纯净的空气而是气溶胶，所以，

显而易见，在空气质量不好的地方，如：工业、矿

山、被污染的地方的空气对人体都是有害的。一般

而言粒径大于10微米的不能通过呼吸道进入人体，

小于0.1微米的可以在呼吸道自由的进出，在0.1～

10微米的可以通过呼吸进入呼吸道。在0.1～4微

米的在肺部沉积，在0.1～2.5微米的沉积最多。

气溶胶与全球变暖：

散布在大气中的气溶胶微粒对太阳光具有反射效

应，进而可以“遮蔽”全球变暖的影响。而这位挪威

科学家的研究项目的目的是要综合运用反应这种“直

接气溶胶效应”的各类模型和观测结果，以准确评估

这一冷却效应的作用。

据英国广播公司消息，挪威国际气候和环境研究

中心的气候科学家冈纳·迈尔（Gunnar Myhre）在《科

学》杂志上报告说，他的研究发现冷却效应并不像此

__________________________________________________

__________________________________________________

前研究预测的那么强烈。迈尔说，这能清楚地表明到

目前为止人类到底给气候带来了多大的改变。他研究

的污染微粒包括硫酸盐等工业气溶胶、燃烧农业废弃

物所排放的硝酸盐以及柴油发动机和其它燃烧形式所

产生的黑碳（煤烟）。“气溶胶排放的全球模型显示，

温室气体造成的全球变暖有大约10%被它们（气溶胶）

的冷却效应消除了。” 参与该项研究的英国气象局气

溶胶研究员吉姆·海伍德（Jim Haywood）解释说，“但

利用卫星手段探测到的大气气溶胶的含量却表明，冷

却效应消除了大约20%（的全球变暖）。”

迈尔协调了两种方法，最终得到了一个更为精确

的评估数据——冷却效应接近10%。这一结果比联合

国政府间气候变化专家委员会(IPCC)此前所预测的要

弱。“硫酸盐和有机碳反射太阳辐射，而黑碳在很大

程度上却会吸收太阳辐射。”他解释说。“模型考虑

到了黑碳（排放）增幅多于其它两种气溶胶的情况。

但基于观测的方法却难以将其考虑在内，因为我们只

有针对当前状况的观测数据，而且不是在人类活动开

始之前的。这将对以后的气候预测产生影响。” 海伍

德说。

不过，气溶胶对气候的影响远不止于此。气溶胶

微粒会改变云层，增加大气中液滴浓度，从而增加云

__________________________________________________

__________________________________________________

量。迈尔说，这种“间接气溶胶效应”引起的遮蔽或

者冷却作用仍然存在“很多不确定”。海伍德对此表

示同意。“气溶胶对云量的影响让我们很伤脑筋，”

他说，“这给我们的数据采集留下了一个大空白。”

他和英国气象局的同事已经开始研究是否可以利用气

溶胶来有意地遏制全球变暖。

在最近的一项研究中，他通过气候模型来预

测，利用海盐颗粒增加云层的反照率这种故意使云层

变亮的手段将对全球气温产生什么样的影响。研究小

组发现，全球变暖将被延缓多达25年，但他们同时发

现，这种方法也会带来很多不利影响。研究人员说，

其中最严重的后果就是，南美地区的降雨量将大幅减

少，这很可能会加速亚马逊雨林的枯萎，给这一世界

主要碳汇造成损失。“采用这种方法，你必须非常谨

慎地选择云层。”海伍德说。迈尔指出，同温室气体

相比，气溶胶对气候的影响最终将变得无足轻重。