南京北郊大气气溶胶折射率的实验研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:15764字

目 录

1.绪论 3

1.1气溶胶简介 3

1.2研究意义 4

1.3本课题的国内外研究现状 4

2.测量仪器及原理 5

2.1 SMPS电迁移率扫描粒径谱仪 5

2.2 APS空气动力学粒径谱仪 6

2.3三波长光声光度计(PASS-3) 6

2.4热光分析仪 7

2.5颗粒物液体采集器(PILS) 8

2.6离子色谱ICS 8

3.研究方法 9

3.1 热力学平衡模式 9

3.2 Matlab反演折射率 10

3.3体积混合法 12

4.南京北郊折射率研究 13

4.1 Matlab 反演出的大气气溶胶折射率 13

4.2 体积混合法计算气溶胶折射率 15

5.研究结论 17

参考文献: 18

致谢 19

南京北郊大气气溶胶折射率的实验研究

马宁

, China

Abstract: Aerosols are an important part of the atmosphere, which plays an important factor in the refractive index of aerosols. First of all, this paper calculated the refractive index of atmospheric aerosol over northern suburb of Nanjing with two methods. One is programming procedures by Matlab, which is based on Mie scattering theory, then we will get a more accurate value of the refractive index with the resolution of one hour; in addition, using PILS and Ion Chromatography the ion concentration of the aerosol sample were measured t , finally we can obtain the chemical component and content of the aerosol, calculating the refractive index of aerosol samples based on the corresponding chemical formula. Campared the results of two methods respectively, the refractive index values are in a good agreement. It not only can prove the right of Matlab programs, but also experimental measurement accuracy and sources of error can be obtained in this experiment.

Key words: The refractive index of aerosol ,Matlab,Mass closure

1.绪论

1.1 气溶胶简介

大气气溶胶也是颗粒物,它的粒子直径很小一般在几个纳米到几十微米之间。大气气溶胶是一种均匀分散于大气中的的悬浮体系,可以由固态和液态微粒混合在空气中形成,它可以作为太阳辐射的散射体或吸收体,也能被当作水滴或冰晶的凝结核,气溶胶也能参与各种化学循环,同时它对大气的温度、能见度及太阳的散射、辐射等都有影响,是大气重要组成部分之一。

大气中的气溶胶来源主要有两种,即自然来源和人为来源。自然来源可以来自火山爆发及生物体的燃烧等;人类来源主要是由于人类的生产活动造成的,例如交通工具排放的尾气、生活中各种燃料的使用等;黑碳、铵盐、硝酸盐、硫酸盐等颗粒物是人类来源造成大气气溶胶的主要形式,可以看出大气粒子由多种化合物组成;另外气溶胶也可由直接排入空气中的物质(如Fe、Si、Ca、Mg等)形成。大气气溶胶的性质集中表现在物理属性、化学属性和光学属性上。物理属性集中体现在气溶胶粒径、气溶胶内所含粒子的形状及对应粒子谱的分布;化学属性体现在气溶胶粒子组成物种的化学元素浓度及气溶胶颗粒在大气生命周期内中所发生的所有化学反应及变化;气溶胶的散射系数、吸收系数和消光系数等为气溶胶的光学属性。

气溶胶中的粒子可以处于不同状态,每个粒子可以是固相、液相和气相中的任意一种,气溶胶颗粒的不同组合状态决定了气溶胶的不同体系状态,与此同时这些颗粒可以是均质的也可以是非均质的。经分析,气溶胶的化学组成包括有机碳(OC)、元素碳(EC)、八种离子(Na ,NH4 ,K ,Mg2 ,Ca2 ,NO3-,SO42-,Cl-)、17种元素(Al,Si,P,S,Cl,K,Ca,Ti,Cr,Mn,Fe,Cu,Zn,Br,Sr,Zr和Pb)。

就大气成分整体而言,气溶胶在大气中的占比并不多,但对于城市大气空气而言组成复杂且性质不稳定的大气气溶胶却是空气中危害性很大的污染物之一。随着工业经济的发展,此类大气环境问题也受到了专家学者的关注,气溶胶存在于空气中的物质颗粒不仅对人类的健康产生严重危害,还能对全球气候产生影响。气溶胶对气候系统的影响可分为直接强迫辐射和间接强迫辐射,气溶胶颗粒可以对长波辐射及短波辐射进行吸收和散射,这种作用会使地球-大气系统辐射平衡受到影响;当气溶胶颗粒物做为特殊的冰核或者凝结核时还可以改变云的某些物理及化学上的特性甚至是云形成降水的效率,进而对气候产生一定的间接影响,其中碳气溶胶的辐射强迫作用是其中研究较多的;另外气体分子和气溶胶对光波可以进行散射及吸收作用,因此光波在大气中传播中会不断减弱,这种效果是导致大气能见度降低的原因;气溶胶不是固定的,它能自由地大范围移动,这种特性也是区域性及全球性污染的原因之一。由上观之,气溶胶的研究对环境问题、气候的变化及人类健康的分析都有很大的帮助。

1.2 研究意义

目前人们对气溶胶的研究,主要有四个方面,一是基于大气气溶胶对气候和环境的影响对大气气溶胶基本特性的研究;二是着手于气溶胶对气候效应的影响;三是对一些特殊气溶胶,如沙尘气溶胶的研究;四是根据人类活动分析气溶胶对人类身体危害及影响等。对于气溶胶而言,它本身的变化性很强并且包含较多复杂的的化学成分,对其的研究并不身份容易,在对气溶胶研究不断的深入探索中,为了使人们对气溶胶的认识更加全面立体,国内外很多专家学者不断寻求不同的方法及手段。而折射率作为气溶胶的重要参数之一也受到越来越多的关注。

大气气溶胶折射率,可表示为,其中n是折射率的实部,它主要与光的散射有关;k为折射率的虚部,它主要与光的吸收有关。在辐射及气候效应中,气溶胶是加热还是冷却状态与其折射率的虚部有关,同时遥感大气订正也会受到折射率的影响,可见折射率对全球气候变化和气溶胶辐射效应都有很重要的意义,但是目前要精确测量气溶胶折射率的方法是很复杂的,故探寻一种能高效简洁计算折射率的方法是很有意义的。

1.3 本课题的国内外研究现状

随着人们对气溶胶不断的认识,其折射率的重要性也受到了更多的关注,近年来,对气溶胶折射率的研究也成为国内外专家学者重点研究对象。

1991年,胡欢陵,许军等人[1]利用直接一种取样和积分片的方法对大气气溶胶折射率虚部进行了实际测量,根据测量结果他们给出了东部不同区域的折射率虚部值大小,结果发现,对于东部城市和郊区的虚部值,11月至5月的虚部值高于6月至10月的虚部值,而12月份的虚部值却表现为所有数据中的极大值;而除了南海地区外,中国东部各地区的折射率虚部值都要比国外同类型的地区值大,作者认为这是因为中国地区以煤炭燃烧产生的碳浓度远高于国外。

尉东胶,邱金桓[2]进行了一个对比观测实验,将一种总辐射-直射比方法和一种宽谱方法对比分析得出大气气溶折射率的反演结果,并对北京地区气溶胶的局地辐射气候效应进行了分析。实验中他们得出在1999年期间北京大气气溶胶的虚部反演结果,最终观察到北京地区冬是反演的折射率虚部值平均值高于其他季节,作者还表明北京气溶胶辐射气候效应在冬季是倾向于加热,而在其他季节则倾向于冷却。

阎逢旗,胡欢陵等人[3]通过粒子数粒度谱和水平能见度计算出大气气溶胶折射率虚部,基于Mie理论分析折射率与能见度的对应关系,再根据测量的同步水平能见度分布值,反演出折射率的虚部值。对北京市大兴县榆垈镇气溶胶折射率虚部的测量则证明了这种方法的可行性。

李学彬,韩永等人[4]基于APS3321粒子计数器和DLJ光学粒子计数器两种不同的计数器的原理,对合肥地区的每一小时测量每立方厘米大气中半径大于1.38的粒子数进行实验分析,其结果表明随着大气气溶胶折射率虚部的增加,由DLJ-92测量的粒子数也在增加,而由APS3321测量的粒子数则不随粒子折射率变化,利用这种规律对合肥大气气溶胶折射率虚部进行了监测。但是由于离子表面不均匀、空气动力学直径和光学等效直径的差异,这种折射率测量存在一定误差。

李学彬,黄印博等人[5]综合利用黑碳仪、浊度计测量气溶胶的吸收系数和散射系数,他们用光学计数器测量出粒子谱分布,并分析出三者间的关系,反演出大气气溶胶折射率及其对应的实部和虚部值,文中作者利用此方法对厦门地区的折射率进行了测量,结果表明厦门地区12月份折射率实部无明显昼夜变化,而虚部则有明显的昼夜变化;同时四季折射率的对比亦分析出厦门地区折射率值具有明显的季节性变化。

李学彬,徐赤东等人[6]利用微脉冲激光雷达、黑碳仪浊度计和光学粒子计数器等仪器对厦门地区的大气气溶胶折射率进行测量,他们是一种是用消光系数、后向散射系数和粒子谱三种因素计算出折射率;一种是利用散射系数、吸收系数和粒子谱计算折射率值,通过两种不用计算方式的对比对实验结果进行分析。在两种计算方法中后向散射系数会有差别这种差异影响折射率的计算。

李学彬还同宫纯文等人[7]基于光散射和粒子飞行时间两种不同原理的粒子计数器,利用折射率对不同仪器的影响差异来反演厦门地区大气气溶胶折射率虚部,实验测得折射率代入相关公式得到相应的吸收系数,将吸收系数和粒子谱分布进行对比,两者分布趋势的一致性证明了这种计算方法的合理性。

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