氣溶膠分布及成核作用

關于氣溶膠分布及成核作用第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日目錄氣溶膠的粒徑分布

1大氣氣溶膠譜分布函數(shù)的經(jīng)驗描述2氣溶膠粒子的三模態(tài)及其特性3氣溶膠粒子的成核作用4第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日氣溶膠的定義氣溶膠：液體或固體微粒均勻的分散在氣體中形成的相對穩(wěn)定的懸浮體系。固體或液體微粒：通常稱為顆粒物或粒子，是指空氣動力學直徑為0.003-100um的液滴或固態(tài)粒子。第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日大氣顆粒物的粒度分布等效直徑光學等效直徑

Diagram3Diagram4體積等效直徑或幾何直徑

空氣動力學等效直徑第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日空氣動力學直徑（Dp）式中：Dg——幾何直徑ρp——忽略了浮力效應的粒密度ρ0——參考密度（ρ0=1g/cm3）

K——形狀系數(shù)，當粒子為球狀時，K=1.0從上式可見，對于球狀粒子，ρp對Dp是有影響的。當ρp較大時，Dp會比Dg大。由于大多數(shù)大氣粒子滿足ρp≤10，因此Dp和Dg的差值因子必定小于3。第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日大氣氣溶膠譜分布函數(shù)的經(jīng)驗描述123對數(shù)正態(tài)分布

冪指數(shù)定律

修正的Γ譜分布第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日對數(shù)正態(tài)分布第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日典型城市氣溶膠數(shù)譜分布、表面積譜分布和體積譜分布第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日冪指數(shù)定律

德國科學家junge在總結(jié)了大量實驗觀測結(jié)果的基礎上，于1963年首先提出以“冪指數(shù)定律”來表示數(shù)分布函數(shù)，其數(shù)學表達式為：Junge分布簡潔明了，但只適用于0.1-10um粒徑范圍內(nèi)的數(shù)濃度譜分布，可以很好地擬合城市氣溶膠數(shù)譜分布。第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日修正的Γ譜分布

式中：A、b、B、c四個參數(shù)是正數(shù)與冪指數(shù)定律數(shù)譜分布函數(shù)相比，Γ譜分布很繁瑣

Deirmendjian于1969年提出用修正的Γ譜分布，近似描述環(huán)境大氣氣溶膠數(shù)譜分布：第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日氣溶膠粒子的三模態(tài)及其特性第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日氣溶膠粒子的三模態(tài)

積聚模

愛根核膜粗離子膜

粒徑小于0.05um的粒子

粒徑在0.05-2um范圍的粒子

粒徑大于2um的粒子第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日三模態(tài)的主要形成和去除機制

來源：燃燒過程所產(chǎn)生的氣溶膠粒子、二次粒子

特點：易“老化”碰并：即在已有顆粒物上化學轉(zhuǎn)化生成的冷氣冷凝后生長

來源：愛根核膜的凝聚、蒸汽冷凝、凝聚、各種氣體分子轉(zhuǎn)化成的二次氣溶膠去除方式：不易被干、濕沉降出去，主要通過擴散去除來源：機械過程所造成的揚塵、海鹽濺沫、火山灰和風砂等一次氣溶膠粒子去除方式：干沉降和雨水沖刷第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日粗、細粒子之間的相互作用由于氣溶膠老化，使積聚模的體積濃度有很大增長，對粗粒子體積的影響卻相對較小

第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日各模態(tài)粒子之間的相互作用由上表可以看出，核膜與積聚模之間的凝聚作用超過核膜之間的凝聚作用。粗膜與粗膜之間的凝聚作用以及積聚模與粗膜之間均可忽略第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日氣溶膠粒子的成核作用均相成核或非均相成核，形成細粒子分散在空氣中

在細粒子表面，經(jīng)過多相氣體反應使粒子長大

由布朗凝聚和湍流凝聚，粒子繼續(xù)長大

通過干沉降和濕沉降（雨除或沖刷）清除

成核過程=物理過程+化學過程第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日均相成核-由氣體分子形成新核均相成核：當某物種的蒸氣在氣體中達到一定過飽和度時，由單個蒸氣分子凝結(jié)成為分子團的過程能量最低原理：氣體分子若能形成新核，必須在成核后使體系能量降到最低，只有這樣，新核才能穩(wěn)定

第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日胚芽初期形成的可能性當e（H2O蒸汽壓）<es（飽和蒸汽壓）時，ΔGT隨著r（粒子半徑）的增大而增加，即ΔGT>0。根據(jù)熱力學原理，在等溫、等壓條件下，ΔGT>0的過程為非自發(fā)過程。因此，利于r的增大，即不利于胚芽的自發(fā)形成。在這種情況下，即使由于分子碰撞形成了胚芽，仍然會由于蒸發(fā)（自發(fā)過程）而難以穩(wěn)定存在。未飽和狀態(tài)當e>es時，那么ΔGT可能大于零，也可能小于零。初始階段，隨r的增加ΔGT有所增大。當r=r*時，ΔGT

達到最大ΔGT*；當r繼續(xù)增大時，ΔGT反而減小。r*稱為臨界半徑，這時胚芽稱為臨界胚芽

過飽和狀態(tài)

第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日s和RH與對r*的關系

從圖中可以看出，半徑為0.01um的小液滴要與環(huán)境達到不穩(wěn)定的平衡，就需要相對濕度為112.5%或過飽和度為12.5%。而半徑為1.0um的小液滴與環(huán)境達到不穩(wěn)定平衡時，只要求100.12%的相對濕度或0.12%的過飽和度。

這就是為什么在大、小液滴同時存在時，小液滴往往不易長大而易蒸發(fā)、消失，但大液滴卻不斷長大的原因。S——過飽和度RH——相對濕度第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日氣溶膠粒子的非均相成核

非均相成核：當有外來粒子作為核心時，蒸氣分子凝結(jié)在該核心表面的過程第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日新粒子生成

成核理論

水-硫酸均相成核

水-硫酸-氨均相成核低蒸汽壓有機化合物均相成核

離子誘導成核

第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日顆粒物的生成和增長過程第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日成核理論的原理及適用條件三元成核理論

二元成核理論粒子誘導成核

低溫、高濕、大氣中已存在的顆粒物比較少、硫酸蒸氣濃度比較高給出足夠高的成核速率，可以合理的解釋在海岸地區(qū)所觀測到的高成核速率事件大氣離子參與成核，提高了成核速率，用于解釋目前觀測值和理論值之間的差別。成功的預測了飛機排放氣溶膠的演變第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日

新粒子發(fā)生時，核膜態(tài)粒子數(shù)

濃度急劇增加在干凈地區(qū)和污染大