1、大氣氣溶膠課程教學大綱1緒論（2學時）（1）了解大氣氣溶膠的研究歷史和研究方法。20世紀之前1841年，J.P.Espy,測云器，觀測水汽形成1847年，H.Becquerel，提出凝結(jié)核，Coulier證實1875年，J.Aitken，粒子計數(shù)器1890年，C.T.RWilson，云室，研究均勻成核現(xiàn)象19世紀60年代，氣溶膠光學實驗；光的散射理論（Rayleigh，1871a）19世紀80年代，氣溶膠采集器，微觀觀測20世紀前、中期20世紀初，物理學前沿（微觀物質(zhì)）布朗運動和布朗擴散Millikan電子電量測量1955年，前蘇聯(lián)，F(xiàn)uchs，氣溶膠力學氣溶膠測量技術(shù)開始使用和普及20世紀后

2、期微電子、激光、計算機技術(shù)及現(xiàn)代化分析化學和分析電鏡的發(fā)展，各種觀測自動化二次大戰(zhàn)后，特別是1970s和1980s，環(huán)境污染嚴重，迅速發(fā)展1982年成立美國氣溶膠學會（AAAR）1990s后，將研究擴展到超細粒子（0.1pm）的性質(zhì)和氣溶膠對全球氣候變化影響方面研究方法：觀測研究;直接采樣;遙感觀測;實驗室分析;數(shù)值模擬;理論研究（2）理解大氣氣溶膠研究意義。氣候、環(huán)境、人體健康效應氣溶膠的直接氣候效應和間接氣候效應（空氣質(zhì)量、能見度、酸沉降、云和降水、大氣的輻射平衡（進而對全球氣候變化）、平流層和對流層的化學反應）與其他環(huán)境問題，如臭氧層的破壞、酸雨的形成、煙霧事件的發(fā)生等密切相關(guān)對人體健康

3、的影響（次微米粒子可直接經(jīng)呼吸道進入人體，其中含有重金屬、有毒有機物、病菌。）（3）掌握大氣氣溶膠概念。氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體和（或）液體微粒與氣體載體共同組成的多相體系。大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系。Aerosol=Particles=ParticulateMatter（PM）PMX:particleswithdiametersWXpm（PM2.5,PM10,PM2.5-10）重點：大氣氣溶膠基本概念和研究意義。難點：大氣氣溶膠定義。大氣氣溶膠基礎知識（4學時）（1）了解常用的幾類譜分布函數(shù)。Junge譜分布r3（dN）常數(shù)dInr每個對數(shù)半徑間隔內(nèi)

4、的氣溶膠粒子總體積幾乎為常數(shù)，氣溶膠粒子數(shù)差不多隨半徑的三次方指數(shù)下降。分布修正的分布n（r）=araexp（-brr）在半徑小的一邊下降緩慢，半徑大的一邊按指數(shù)下降。對數(shù)正態(tài)分布：細化了小尺度端的分布，消除了粗粒子處的長尾巴對數(shù)二次曲線分布：對三個不同模態(tài)，每個模態(tài)都可以用一個對數(shù)二次曲線譜描述。（2）理解氣溶膠粒子譜分布特征參量、三模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度分布特征。粒子譜分布特征參量：Numberfrequency:第i個間隔中的顆粒個數(shù)ni與顆粒總數(shù)ni之比Cumulativefrequency：粒數(shù)篩下累積頻率：小于第i個間隔上限粒徑的所有顆粒個數(shù)與顆粒總個數(shù)之比工niii二工f=1Numbe

5、rfrequencydensity粒數(shù)頻率密度（頻度）二F-Fabab二fFadFFbp=AF/Ad=f/Adiipiipip(d)=dF/dd=fdpa-dFdddddpbp=Jdpapdddp核模態(tài)10-3pm布朗運動，顯著的碰撞和凝并來源：各種污染氣體經(jīng)過多相化學反應轉(zhuǎn)化而成；由高溫下熱的過飽和蒸汽冷凝而成。特點1：數(shù)密度大，在城市污染大氣中可占95%以上；特點2：最不穩(wěn)定的粒子，是積聚模態(tài)粒子的源；特點3：有些可以是水汽的凝結(jié)核；愛根核粒子是影響大氣電場的重要因素。積聚模態(tài)10-lpm最穩(wěn)定，既不受布朗運動的影響，也不受重力沉降影響來源：主要由核模粒子經(jīng)過碰并、凝聚、吸附等物理效應長大

6、而成,但它幾乎不可能繼續(xù)長大成為粗粒子。特點1：大氣中存在的時間最長、最穩(wěn)定，濃度易積累；特點2：輸運距離最遠、污染范圍最大；特點3：能全部被吸入肺部，含有大量的有害元素；特點4：對可見光的消光系數(shù)最大，是影響大氣能見度的主要因素。粗模態(tài)來源：大氣相對濕度低于100%時，各種固體或液體物質(zhì)的機械粉碎過程產(chǎn)生。女如機械粉碎過程、燃燒過程、交通運輸、海浪和各種自然力產(chǎn)生的原生粒子構(gòu)成。特點1：在濕氣溶膠中包括云、雨、霧、雪、蒸汽和水霧等。特點2：質(zhì)量濃度較大，數(shù)濃度相對少。（3）掌握大氣氣溶膠的尺度、分類和濃度的表示方法，利用氣溶膠譜觀測資料畫圖。動力學等效直徑相同沉降特性空氣體動力學直徑da：在

7、低雷諾數(shù)的靜止空氣中與實際粒子具有相同沉降速度的單位密度球的直徑Stokes直徑ds,又稱沉降直徑：與da類似，只是將其中的“單位密度球”改為“同密度球”質(zhì)量譜與數(shù)濃度譜之間可以進行轉(zhuǎn)化假定氣溶膠粒子是球形的,n(r)dr=m4兀r3p3n(r)dr重點：氣溶膠分類、氣溶膠粒子譜。難點：氣溶膠三模態(tài)分布特征、粒子譜統(tǒng)計量計算。3大氣氣溶膠的來源與化學特征（4學時）（1）了解大氣氣溶膠的主要化學組成特征、全球氣溶膠產(chǎn)生率。全球氣溶膠產(chǎn)生率整個氣溶膠全球產(chǎn)生率中，人為源（包括直接發(fā)射和氣粒轉(zhuǎn)化）約為全球產(chǎn)生率的15%-20%。而人為源中直接發(fā)射僅占人為源總量的20%-25%，意即人為源氣溶膠質(zhì)粒主

8、要來自氣粒轉(zhuǎn)化。自然源中直接發(fā)射與氣粒轉(zhuǎn)化近似相當，直接發(fā)射比率稍大一些。2）理解不同來源氣溶膠尺度分布特征。土壤風蝕（三個條件：沙塵源，不穩(wěn)定層結(jié)熱力條件，大風動力條件），颶風，花粉，生物腐爛等核化過程：光化學反應，燃燒作用，凝結(jié)，等自然源/人為源（3）掌握大氣氣溶膠粒子的主要形成機制、幾種常用的源解析方法。源模式（擴散模式）：使用源排放率的統(tǒng)計資料，依據(jù)大氣擴散和輸送的基本規(guī)律，研究氣溶膠濃度的空間分布，從而估算源對所研究地區(qū)氣溶膠的貢獻；接收點模式（受體模式、接收模式）：與源模式恰好相反，是用在接收點處所獲得的氣溶膠特性，主要是化學成分濃度的資料，來反推有關(guān)源對接收點處的貢獻。（才）質(zhì)粒

9、Ef是富集因子C,是所研究的元素的濃度C,是參考元素的濃度田耒qj：巾jw兀入m矽収仕丁1r7L那口雖采鈣反參考元素和參考物質(zhì)的選擇很關(guān)鍵：參考元素-般選擇地殼物質(zhì)中含量豐富、受人為污染彩響小的元素（AlTiFe）:參考物質(zhì)-般選擇全球平均地殼物質(zhì)或當?shù)赝寥雷鳛樘娲茈y找到不受污染的參考元素和參考物質(zhì)，富集因子實斤丄只能定性地表征研究元素對污染的相對貢獻啟豐度=才G表示研究元素的濃度C。表示大氣氣溶膠總濃度重點：氣溶膠主要形成機制、化學組成特征。難點：地表起塵、海鹽氣溶膠產(chǎn)生機制。4單個氣溶膠粒子動力學（4學時）1）了解外力場單粒子運動。2）理解Brown運動和相關(guān)概念（擴散、遷移）。掌握平均

10、自由程、Stokes定律和重力沉降等概念。1/RT、丄()2nd2Mmm=-pv九=2(mkT)0.533兀1.5d2V2慣性力Pmd_PVd_R粘滯力一口丄=m=Re卩d2流動類型粒子雷諾數(shù)管道中的雷諾數(shù)層流（slokes流或粘性流）110004000F=3和dvStokes定律的約束條件：低雷諾數(shù)層流假設條件：介質(zhì)不可壓縮、粘性、均勻、無限大介質(zhì)連續(xù)、無滑動層流：Re數(shù)小，即慣性力相對粘性力可忽略粒子要求剛性、球形、平表面粒子之間無相互作用弛豫時間：質(zhì)粒調(diào)節(jié)其速度適應性的受力狀況所需要的時間弛豫時間:在空氣中作自然沉降的粒子，無論其初速度如何，都將達到一個穩(wěn)定的沉降速度，弛豫時間就是表征粒

11、子打到這個穩(wěn)定速度所經(jīng)歷的時間，表征粒子由非穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)的快慢。表示在靜止介質(zhì)中，粒子由初速度0加速到沉降末速度的2/3的時間。t-CcmV=Tg+（V-Tg）e-21一c03兀卩d重力沉降末速：v（r）=V（11/e）二67%V在空氣靜止時，TSTS只受重力而做自然沉降的粒子，當其重力與空氣的粘滯阻力達到平衡時，在其重力方向上的運動速度是一個恒定的下落速度停止距離：粒子在靜止空氣中無外力作用（忽略重力作用）下，所移動的最大距離。即時粒子所走過的距X=vTs0離：VO為初速度，對小粒子，由于很小，故在它們停住之前僅移動很短的距離。Brown運動是分散介質(zhì)分子以不同大小和不同方向的力對膠體粒子不斷

12、撞擊而產(chǎn)生的。由于受到的力不平衡，所以連續(xù)以不同方向、不同速度作不規(guī)則運動。隨著粒子增大，撞擊的次數(shù)增多，而作用力抵消的可能性亦大。半徑大于5m時，Brown運動消失。重點：Stokes阻力公式、重力沉降過程、Brown擴散。=kTC3押dp難點：弛豫時間、沉降末速、停止距離、Brown擴散概念。由于分子的熱運動和膠粒的布朗運動，使粒子從高濃度區(qū)間向低濃度區(qū)間遷移的現(xiàn)象稱為布朗擴散。5氣溶膠粒子群動力學（4學時）（1）了解外力場對粒子聚合的作用。布郎擴散，外力場遷移，范德瓦耳斯力，電力2）理解氣溶膠粒子一般動力學方程。第5節(jié)粒子一般動力學方程L離散型聚合方程因蒸發(fā)引起弘的哀減率為：ekNk（t

13、）ek表示單體從含k個單體粒子的逃逸率Nk（l）表示含有k個單體（單個分子）的粒子的數(shù)濃度,離散型一般動力學方程Nk（t）變化的基本過程就是聚合和蒸發(fā)；Kq表示分別含有i和j個單體的粒子的收集核函數(shù)，個單體粒子的形成率為：紅框內(nèi)的方程表斥會散型聚合方程因聚合引起的哀我率為：藝將收集核函數(shù)Kij假設為常數(shù)K,再對k求和，離散型聚合方程就可以轉(zhuǎn)化為聚合方程（7）氣溶膠濃度n隨時間變化的主要過程:加-*A示=一u-02.連續(xù)型聚合方程n（v,L）dv表示粒子在體積v到v+dv范圍內(nèi)每立方厘米的粒子數(shù)，n（v,I）（um3cni3）是密度函數(shù)將上面的聚合方程寫成連續(xù)形式為:K(vT/.r)加十F&.切

14、+DAn(I)（水平和垂直輸送、擴敵(I)（質(zhì)粒新生1)（化學反應.凝結(jié)，蒸發(fā)）V)（聚合-n(V)（清除）(vr)（源一般動力學方程（GDE）（5.3）u表示空氣的運動速度，D表示擴散系數(shù)，v表示沉降速率;方程5.3般不存在分析解，其數(shù)值解據(jù)數(shù)值計算過程中對粒子半徑的分割方法不同，可分為分解法、變換法、區(qū)問分割法。(III)中粒子的化學原應，凝結(jié)、蒸發(fā)屬于粒子數(shù)：濃度守恒過程，可表示為：(一左自務卜劉iion.Pkw”&引IflWIncieetdLWClAlbracM-ofclood(ccmfeaiM;L漏亡*Twcwnfli1掰即Figuref.TO.SWiemtfr才呼an?誕舸nous

15、rad血陽耐加臥辟騎辺朋聞廂肝dowf肅伽古f臨治miwr?豪sigiffcan/小用白內(nèi)rm如jenjsMznodfTedJOw?Wjjwi兇日皿直皿販2QQD.Tfe劉怕dais佬鹽錨亦moseIpdrfide-tfwJlafjerdpwi側(cè)淫捏StrantfiiMf刪出削iffifenck/Mfand1Tflecffitfwferratfafroait?陋i即Amjflorasantterrsstr?ratfurflrr.Treffletfw.nri?wratsMtfea儈曲皿曲咔Frwm&gncwawOa伽祐冰口.1?wuTertwtsrfran-IWW*3i昭航爐I蒔耐恥皿林PMW病

16、時誕Jllf取訶期曲血防阿軌堿廉腳而麗孑面面可而麗麗而麗藥而何站隔rMftf卿5#啊laftrEarxMflrmocweMaefMsare占何伽t酣決迥fiMtfaos厶to?nucfetfCCHl.Hie徒磁ffraytastesreMseit崗“舐and1M百厝耐血倔出跑蜩商兇他m.Healiingdoudburrwifcktrmain械丸.嘏旳訓IPCC200710大氣氣溶膠的測量和分析（12學時）（1）了解全球大氣氣溶膠遙感探測資料及相關(guān)產(chǎn)品。（2）理解氣溶膠空氣動力學和光學測量原理。（3）掌握氣溶膠濃度、光學特性以及化學成分測量分析的常用方法重點：氣溶膠濃度、光學特性測量技術(shù)。難點：氣溶膠動力學和光學測量技術(shù)原理。1、章澄昌、周文賢編著，大氣氣溶膠教程，氣象出版社；1995；2、圖梅著，王明星、王庚辰等譯，大氣氣溶膠，科學出