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1、 大气气溶胶 课程教学大纲1绪论（2学时）（1）了解大气气溶胶的研究历史和研究方法。20世纪之前1841年，J.P.Espy，测云器，观测水汽形成1847年，H.Becquerel，提出凝结核，Coulier证实1875年，J.Aitken，粒子计数器1890年，C.T.R Wilson，云室，研究均匀成核现象19世纪60年代，气溶胶光学实验；光的散射理论（Rayleigh，1871a）19世纪80年代，气溶胶采集器，微观观测20世纪前、中期20世纪初，物理学前沿（微观物质） 布朗运动和布朗扩散 Millikan电子电量测量1955年，前苏联，Fuchs，气溶胶力学 气溶胶测量技术开始使用和普
2、及20世纪后期微电子、激光、计算机技术及现代化分析化学和分析电镜的发展，各种观测自动化二次大战后，特别是1970s和1980s，环境污染严重，迅速发展1982年成立美国气溶胶学会（AAAR）1990s后，将研究扩展到超细粒子（0.1m）的性质和气溶胶对全球气候变化影响方面研究方法：观测研究;直接采样;遥感观测;实验室分析;数值模拟;理论研究（2） 理解大气气溶胶研究意义。气候、环境、人体健康效应气溶胶的直接气候效应和间接气候效应（空气质量、能见度、酸沉降、云和降水、大气的辐射平衡（进而对全球气候变化）、平流层和对流层的化学反应）与其他环境问题，如臭氧层的破坏、酸雨的形成、烟雾事件的发生等密切相
3、关对人体健康的影响（次微米粒子可直接经呼吸道进入人体，其中含有重金属、有毒有机物、病菌。）（3）掌握大气气溶胶概念。气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。 大气气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。Aerosol = Particles = Particulate Matter (PM)PMX: particles with diameters X m (PM2.5, PM10 , PM2.5-10) 重点：大气气溶胶基本概念和研究意义。难点：大气气溶胶定义。2.大气气溶胶基础知识（4学时） （1）了解常用的几类谱分布函数。Junge
4、谱分布每个对数半径间隔内的气溶胶粒子总体积几乎为常数，气溶胶粒子数差不多随半径的三次方指数下降。分布，修正的分布在半径小的一边下降缓慢，半径大的一边按指数下降。对数正态分布：细化了小尺度端的分布，消除了粗粒子处的长尾巴对数二次曲线分布：对三个不同模态，每个模态都可以用一个对数二次曲线谱描述。 （2）理解气溶胶粒子谱分布特征参量、三模态气溶胶数浓度分布特征。粒子谱分布特征参量：Number frequency：第i个间隔中的颗粒个数ni与颗粒总数ni之比Cumulative frequency：粒数筛下累积频率：小于第i个间隔上限粒径的所有颗粒个数与颗粒总个数之比Number frequency
5、 density粒数频率密度（频度）核模态10-3m布朗运动，显著的碰撞和凝并来源：各种污染气体经过多相化学反应转化而成；由高温下热的过饱和蒸汽冷凝而成。特点1：数密度大，在城市污染大气中可占95%以上；特点2：最不稳定的粒子，是积聚模态粒子的源；特点3：有些可以是水汽的凝结核；爱根核粒子是影响大气电场的重要因素。积聚模态10-1m最稳定，既不受布朗运动的影响，也不受重力沉降影响来源： 主要由核模粒子经过碰并、凝聚、吸附等物理效应长大而成，但它几乎不可能继续长大成为粗粒子。特点1：大气中存在的时间最长、最稳定，浓度易积累；特点2：输运距离最远、污染范围最大；特点3：能全部被吸入肺部，含有大量的
6、有害元素；特点4：对可见光的消光系数最大，是影响大气能见度的主要因素。粗模态来源：大气相对湿度低于100%时，各种固体或液体物质的机械粉碎过程产生。 如：机械粉碎过程、燃烧过程、交通运输、海浪和各种自然力产生的原生粒子构成。特点1：在湿气溶胶中包括云、雨、雾、雪、蒸汽和水雾等。特点2：质量浓度较大，数浓度相对少。（3） 掌握大气气溶胶的尺度、分类和浓度的表示方法，利用气溶胶谱观测资料画图。动力学等效直径相同沉降特性空气体动力学直径da：在低雷诺数的静止空气中与实际粒子具有相同沉降速度的单位密度球的直径Stokes直径ds，又称沉降直径：与da类似，只是将其中的“单位密度球”改为“同密度球”质量
7、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，其密度已知重点：气溶胶分类、气溶胶粒子谱。难点：气溶胶三模态分布特征、粒子谱统计量计算。3大气气溶胶的来源与化学特征（4学时）（1）了解大气气溶胶的主要化学组成特征、全球气溶胶产生率。全球气溶胶产生率整个气溶胶全球产生率中，人为源（包括直接发射和气粒转化）约为全球产生率的15%-20%。而人为源中直接发射仅占人为源总量的20%-25%，意即人为源气溶胶质粒主要来自气粒转化。自然源中直接发射与气粒转化近似相当，直接发射比率稍大一些。（2） 理解不同来源气溶胶尺度分布特征。直接注入：火山喷发（粗粒子），球外陨星(蒸汽10-2-1m，直接进入1-1
8、03 m，增加硫酸盐的质量)，土壤风蚀（三个条件：沙尘源，不稳定层结热力条件，大风动力条件），飓风，花粉，生物腐烂等核化过程：光化学反应，燃烧作用，凝结，等自然源/人为源（3） 掌握大气气溶胶粒子的主要形成机制、几种常用的源解析方法。源模式（扩散模式）：使用源排放率的统计资料，依据大气扩散和输送的基本规律，研究气溶胶浓度的空间分布，从而估算源对所研究地区气溶胶的贡献；接收点模式（受体模式、接收模式）：与源模式恰好相反，是用在接收点处所获得的气溶胶特性，主要是化学成分浓度的资料，来反推有关源对接收点处的贡献。重点：气溶胶主要形成机制、化学组成特征。难点：地表起尘、海盐气溶胶产生机制。4单个气溶胶
9、粒子动力学（4学时）（1）了解外力场单粒子运动。（2）理解Brown运动和相关概念（扩散、迁移）。（3）掌握平均自由程、Stokes定律和重力沉降等概念。Stokes定律的约束条件：低雷诺数层流假设条件：介质不可压缩、粘性、均匀、无限大 介质连续、无滑动层流：Re数小，即惯性力相对粘性力可忽略粒子要求刚性、球形、平表面粒子之间无相互作用弛豫时间：质粒调节其速度适应性的受力状况所需要的时间在空气中作自然沉降的粒子，无论其初速度如何，都将达到一个稳定的沉降速度，弛豫时间就是表征粒子打到这个稳定速度所经历的时间，表征粒子由非稳定到稳态的快慢。表示在静止介质中，粒子由初速度0加速到沉降末速度的2/3的
10、时间。弛豫时间：重力沉降末速：在空气静止时，只受重力而做自然沉降的粒子，当其重力与空气的粘滞阻力达到平衡时，在其重力方向上的运动速度是一个恒定的下落速度停止距离：粒子在静止空气中无外力作用（忽略重力作用）下，所移动的最大距离。即时粒子所走过的距离：V0为初速度，对小粒子， 由于很小，故在它们停住之前仅移动很短的距离。Brown运动是分散介质分子以不同大小和不同方向的力对胶体粒子不断撞击而产生的。由于受到的力不平衡，所以连续以不同方向、不同速度作不规则运动。随着粒子增大，撞击的次数增多，而作用力抵消的可能性亦大。半径大于5mm时，Brown运动消失。重点：Stokes阻力公式、重力沉降过程、Br
11、own扩散。难点：弛豫时间、沉降末速、停止距离、Brown扩散概念。由于分子的热运动和胶粒的布朗运动，使粒子从高浓度区间向低浓度区间迁移的现象称为布朗扩散。5气溶胶粒子群动力学（4学时）（1）了解外力场对粒子聚合的作用。布郎扩散，外力场迁移，范德瓦耳斯力，电力（2）理解气溶胶粒子一般动力学方程。（3）掌握Brown运动碰并、层流切变和湍流中的聚合、重力沉降聚合。当空气中存在速度梯度时，可产生空气间的相对运动，从而引起气溶胶质粒间的聚合。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
12、相对运动而引起聚合。不同尺度的粒子的沉降速度不同，产生重力沉降聚合。重点：聚合方程、一般动力学方程。难点：聚合方程在不同聚合过程中应用。6对流层气溶胶及其移除过程（4学时）（1）了解大气气溶胶时间分布特征、不同类型气溶胶垂直分布特征、干湿沉降速度测量方法、干湿沉降清除效率因子。多数质粒集中于边界层1-2km尺度谱最宽、谱分布变化最大主要受源区大气稳定度（逆温）和混合层厚度影响4-5km以上受源影响弱，谱分布接近背景（2）理解干沉降阻力模型、云内清除和云下清除过程。（3）掌握干湿沉降过程、气溶胶标高、沉降速度概念。重点：干沉降过程和湿沉降过程。干沉降：气载物质通过重力下落、扩散传输，或两者的共同
13、作用，沉积于地表面移出大气，或通过与表面碰撞或被突出物拦截而移出。近地层输送(空气动力学输送)表面输送（贴表面的层流薄层，布朗扩散至吸收表面）吸收（表面对物质的吸收（粘附、可溶性）（层流副层）湿沉降：大气气溶胶粒子参与云滴的形成、增长和发展为降水的过程中，被云、降水收集而随降水下落到地面。云内清除：在云内核化凝结增长，通过布朗运动、泳移或惯性碰并成为云滴或雨滴。核化，布朗扩散，碰并云下清除：雨滴在降落过程中，主要通过惯性碰并过程和布朗扩散作用俘获气溶胶粒子，使之从大气中清除。难点：干沉降速度测量方法、湿清除效率因子。7.平流层气溶胶（2课时）（1）了解全球平流层气溶胶研究进展、火山气溶胶主要成
14、分、极地平流层云形成过程。（2）理解平流层气溶胶与对流层气溶胶特征差异、。（3）掌握平流层气溶胶基本特征。重点：火山气溶胶分布特征、极地平流层形成过程。难点：平流层气溶胶与对流层气溶胶特征差异。平流层气溶胶的主要来源可概括为：从对流层直接输运陨星物质从前述直接输运进入平流层的含硫气体的气粒转化过程极地气溶胶：极端低温水汽凝结产生极地平流层云8大气气溶胶的光学特性（8学时）（1）了解全球和区域气溶胶光学特征、大、小尺度粒子的散射特征。（2）理解气溶胶对辐射传输过程的影响及其参数化、大气能见度与消光系数的关系。（3）掌握大气气溶胶的消光原理和相关表征参量（消光系数、单次散射反照率、相函数等）。重点
15、：气溶胶光学特征参量、辐射传输方程。难点：非球形粒子散射。粒子对光的散射机制分三类：弹性散射：散射波长等于入射波长准弹性散射：多普勒加宽效应，入射电磁波频率发射迁移非弹性散射：散射波长与入射波长不等（拉曼、荧光）9大气气溶胶的气候效应（4学时）（1）了解云的辐射强迫。（2）理解对流层和平流层辐射强迫效应。（3）掌握大气气溶胶辐射强迫基本概念及分类。重点：气溶胶辐射强迫概念。难点：第一间接辐射强迫、第二间接辐射强迫概念。辐射强迫:因大气成分发生变化，使得太阳短波净辐射通量或长波净辐射通量发生变化。Direct aerosol effectScattering and absorption of solar and terrestrial radiation cooling at the
