介绍

41.1。气溶胶的定义

一个气溶胶是定义为一个分散的系统包含固体或液体微粒悬浮在气体。在我们的例子中气态介质是空气中气溶胶粒子的不同组成和大小是暂停。

在更严格的条款气溶胶或aerocolloidal系统存在,如果(喂,布洛克1970):

(一)粒子的沉降速度小;

(b)在粒子运动惯性效应可以忽略(惯性力比粘性力很小);

(c)粒子的布朗运动,由于气体分子的热骚动,和具有重要意义

(d)的表面粒子相比,体积大。

上述标准的物理意义如下。外力作用于一个气溶胶通常是万有引力。这意味着系统中粒子的寿命取决于其沉降速度。如果粒子半径大于平均自由程对气体分子的下降速度是由著名的斯托克斯方程给出:

r和pp粒子的半径和密度,球形,/ /动态气体粘度(等于1.81 x 10 ~ 4风度的温度20°C), g是引力常数。在大气中,t, s在方程(4.1)取决于海拔高于海平面。此外,对流层的上升气流运动使沉降速度相当复杂的解释。尽管这些问题表面空气中值为10厘米s”小心1可以接受作为一个上限,这使的下降速度30 / tm的球形颗粒半径如果密度统一。然而,我们必须强调,由于上升气流的存在,更大的粒子也可以是大气层中发现显著的距离他们的来源。

惯性力粘性部队的比例是每dejmitiomm粒子的雷诺数(重新)。这样,第二个标准可以书面形式:

p是空气密度,而v是粒子运动的速度由一些外力引起的。身体[4.2]意味着在一个稳定的系统的产物粒子速度和粒子大小不能超过一个给定的值。因此,在正常大气条件下粒子的运动速度的10 / im半径不超过30厘米”。r = 30点的临界速度是10厘米s”如果引力场的外力时,这种情况显然是相当于第一个标准。

气溶胶粒子的一个特性是他们的布朗运动。这个随机运动的结果波动的影响气体分子的粒子。不用说,这个运动的速度增加而减少的大小。一般来说,布朗运动被认为是重要的,如果粒子半径小于0。点。

最后,第四个则是满足如果粒子表面(cm2)超过粒子体积(立方厘米)至少一千次。出于这个原因,表面现象中扮演重要角色的行为aerocolloidal系统。

上述条件确定粒子大小的上限。下限可以指定在一个非常简单的方法。一个系统被认为是气溶胶当粒子的半径大于气体分子。同时马>毫克,μ和mg气溶胶粒子的质量和气体分子,分别。牢记空气中分子的大小我们可以定义下限10“7厘米左右(= 10 ~ 3点)。

气溶胶粒子的布朗运动的一个重要结果是他们的碰撞和随后的聚结。这种所谓的凝固过程可以表现为粒子损失单位时间(喂,布洛克1970):

其中N是单位体积内粒子数,t和D是粒子的扩散系数:

在方程(4.4)k是玻耳兹曼常数(1.3803 x10 16 erg /学位x x分子),T是绝对温度,是斯托克斯Cunningham correction1, /是molecules2气体的平均自由程。因此,凝聚方程可以写成如下形式:

它是方程的基础上[4结束。S]粒子的强度损失由于热凝固成正比的粒子浓度,而凝结效率粒子半径增加而减少。这意味着小颗粒的凝固在一个较高的浓度是一个快速的过程。方程(4.5)是有效的只有单分散气溶胶,即均匀大小的气溶胶粒子组成的。然而,同样的定性结论还可以绘制的多分散的系统。

应该强调,这里没有意图讨论aerocolloidal系统的动力学。详情读者被称为教科书专业领域(例如喂,布鲁克,1970)。

关于他们的形成过程和大小、气溶胶粒子可以分为两个不同的组:细和粗颗粒(惠特比,1978)。微粒半径小于0.5 - -1.0 / tm是由冷凝和凝固形成(见第4.2.2),而粗颗粒主要来自表面出现解体(见第4.2.1)准备。因为这个分类的形式提供了一个解释粒度分布,我们将讨论惠特比4.3.2节中详细的想法。

另一种可能性是对粒子进行分类仅仅根据他们的大小。在气氛物理和化学的分类Junge(1963)被广泛使用。Junge将气溶胶粒子在三个组:

这个部门很方便从粒子的角度描述和测量。因此,在艾特肯粒子扩散效应是显著的范围和粒子快速凝固。然而,在巨大的粒子可以忽视这些现象和气溶胶粒子的行为主要是由他们由于重力沉降。大颗粒构成

21 = 6.53 x 10“6厘米,在温度20摄氏度和760毫米汞柱压力。

3这些粒子的浓度通常是通过测量扩张室,由艾特肯建造的第一个版本。

41.2分类和测量大气气溶胶粒子

Aitken3粒子:r < 0.1 /即时通讯;大颗粒:£0.1 r < 1.0 / tm;巨大的粒子:r ^ l。O /一个。

提到的两个特征范围之间的过渡。因为他们的规模堪比可见光的波长这些粒子的光学特性中发挥巨大的作用。大型和巨型粒子有一个显著的惯性,可以利用他们的测量(见下文)。此外,gianl粒子和很大一部分的大颗粒可以用光学显微镜研究。

因为他们的半径小,大小和粒度分布(参见4.3.2分段)的埃特金粒子可以确定扩散电池。这个设备由毛细管的合奏,通过空气在低速度。由于布朗扩散,较小的气溶胶粒子沉积在管壁上的愿望。这个粒子损失是一个函数的扩散coelficient因此粒子的大小(见方程[4.4])。

总数可以测量气溶胶粒子浓度与扩张室。这些设备是湿润的空气采样和突然产生大量水蒸气supersaturalion扩大。在过饱和环境中,水凝结在气溶胶粒子。水滴形成这样的数量等于粒子浓度。水滴一般计算显微镜幻灯片或允许他们解决,校准后,通过光束灭绝室。这种类型的测量总数实际上决定了粒子的浓度。然而,由于艾特肯粒子的浓度远远大于大型和巨型粒子(见后),结果基本上给出了粒子数和半径小于0.1 / xm。

较小的气溶胶粒子可以捕获空气中的后续计算和尺寸测量通过所谓的热发生器。在这些工具中,金属丝加热到温度梯度。气溶胶粒子远离寒冷的表面的线的方向,因为更有活力的影响气体分子从激烈的给了他们一个净在这个方向运动。捕获的粒子和电子显微镜研究了。另一个可能的方法来测量艾特肯粒子是定义良好的条件下通过充电电。带电粒子通过电场和捕获的电子流动(见方程[4.6])。因为尺寸和电迁移率是相关的,可以推导出粒子的大小分布。这些设备被称为电流动分析仪。

有几种方法来检测大粒子。因此,粒子可以sludied原位气体介质。在单粒子光学计数器,粒子的发光,每个粒子光散射分别测量光电的在给定角度。这种散射信号的数量的粒子数量虽然每个信号的振幅,合适的校准后,粒子大小。在另一种类型的光学设备,我们检测光散射的云粒子在一个固定的立体角。在这种情况下,反被称为积分浊度计。

一般来说,大型和巨型粒子从给定的空气样本收集惯性沉积。惯性抽样由把一个障碍或收藏家的气流如图21所示(一个)。可以看到空气绕障碍,而粒子的轨迹与惯性高于空气分子偏离自己的轨迹,和颗粒收集器。随着气流速度,减少收集器大小、粒子的半径收集减少。”In other words this means that the efficiency of the collection (impaction) increases. The impaction efficiency "is defined as the ratio of the volume of gas cleared of particles by the collection element to the total volume swept out by the collector" (Friedlander, 1977). During aircraft sampling the collector (e.g. a microscopic slide) is exposed directly in the moving air. If the aircraft has a velocity of 200 km hr"1, large particles can be captured with an acceptable efficiency on slides 0.1 mm wide. For giant particles this characteristic size is 1 mm.

(b)撞击器

图21

惯性的气溶胶粒子通过一个障碍和撞击器分为两个阶段

图21

惯性的气溶胶粒子通过一个障碍和撞击器分为两个阶段

表面空气风速一般不直接收集足够高的大颗粒。然而,一个合适的相对速度可以通过附加的收集滑到最后旋转手臂。另外,空气可以通过注入它加速或通过一根管子。在后者情况下,流

速度可以进一步增加了空气穿过狭窄的缝隙。这样的装置被称为一个撞击器;收集效率是一个逆函数的狭缝大小。该抽样程序的优点是,可以分离不同尺寸粒子的撞击器包含缝(飞机)和不同的大小。图21 (b)示意图的方式代表了这样的两个阶段的工具,称为级联撞击器。当我们看到空气吸逐步逐步通过窄缝。这允许越来越小的粒子的捕获飞机后面的幻灯片放在一个适当的距离。收集到的粒子数,它们的大小是衡量一个光学或电子显微镜或他们可能是分析化学(见第4.1.1)。

不同的收集过程结合合适的过滤器组成的细纤维或膜。这些过滤器去除空气中的大型和巨型粒子的惯性影响周围的纤维(如玻璃纤维)或膜的孔,而艾特肯粒子收集利用布朗扩散。如果过滤材料带电、电动力量也必须考虑。对气溶胶粒子的微观研究,膜过滤器是非常合适的。这些过滤器包括有机合成膜约圆柱形式包含漏洞。获得与孔大小一致的过滤器,过滤器是提到狂轰滥炸裂变反冲片段,然后核跟踪蚀刻化学(图像比对过滤器)。

气溶胶研究实验方法最近看过的弗里德兰德(1977)。读者可以在他的书中找到更多的细节和引用。

41.3大气气溶胶研究的重要性

我们已经多次提到,气溶胶粒子的研究有助于解决大气科学中的许多问题。图22显示了一些树枝大气物理学涉及气溶胶的研究。

命名法

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