大气气溶胶及其重要性

Raghava r . Kommalapati1 Kalliat t . Valsaraj2

土木与环境工程系,519年邮政信箱,邮件停止2510年,草原视图A&M大学,草原,TX 77446 2凯恩化学工程系,路易斯安那州立大学巴吞鲁日洛杉矶70803

介绍

除了微量气体,大气中含有各种液体和固体的分散阶段存在的空气。它们统称为气溶胶。一个气溶胶是考虑两相系统组成的固体或液体颗粒和悬浮在气体(空气)。气溶胶源于自然和人为来源。例子是尘埃粒子生成的风蚀表面土壤、农业活动、海盐和波浪在海洋。其他来源包括代大气中通过化学反应。例如,硫酸气溶胶是由氧化生成的二氧化硫在大气水分,粒子产生的汽车尾气和不完全燃烧bet雷竞技 在发电厂。气溶胶直接辐射强迫的影响气候,因为他们分散和吸收太阳能和红外辐射在大气中。raybet雷竞技最新气溶胶也改变温暖,冰和混合相位云形成过程通过增加滴数,浓度和冰粒子浓度。他们减少降水效率的温暖的云从而导致间接辐射强迫与云属性的变化有关。气溶胶最有可能犯了一个重大的负面贡献的整体辐射强迫(/)。尽管净效应是冷却,也有证据表明,黑碳气溶胶升温的大气层他们居住的(2)。气溶胶也影响生物的健康和其他生物的影响(例如,养分有效性)。本篇主要似乎影响云凝结核(CCN)在世界的一些地区(3)气溶胶的一个重要特征

©2009美国化学学会

是他们有不同吗大气寿命。气溶胶通常有大小从2纳米到数百微米(4、5)。他们的形状也变量,然而,一个空气动力当量直径是一个有用的手段,代表它们的大小。气溶胶的浓度通常是表示单位体积质量的粒子的混合物(mg / m3或^ g / m3)或粒子数单位体积(# / m3)的质量浓度更常用标准和测量。典型的质量浓度和颗粒尺寸表1中给出了各种气溶胶粒子和粒子尺寸表2中列出。

表1。气溶胶质量浓度和颗粒大小(6)

区域	浓度/ßg.m ' 3	/ / jm直径
城市	> 100	0.03
农村	30 - 50	0.07
海洋	> 10	0.16

表2。大气气溶胶的特性(7、8)

液滴的性质	尺寸/¡im	表面积/ (m2 / m3)	水含量/ (m3 /立方米的空气中	典型大气一生
气溶胶	十大“2 - 10	lxlO * 3	10“11 - 10 10	4 - 7天
雾滴	1 - 10	8 x10-4	5 x10“8-5x10”7	3个小时
云滴	10 - 102	2 x10“*	-10“7”6	7个小时
雨滴	102 - 103	5 x10 ~ 4	10 7 -10”6	3 - 15分钟规模
雪花	103 - 105	3 xl0”1		15-50分钟

2007年政府间气候变化专门委员会(1)重大进展在其2001年评raybet雷竞技最新估报告对气溶胶的来源。以下是一些气溶胶来源以及简要描述中提供最新的评估报告:

•土壤尘:土壤粉尘是一个主要因素气溶胶加载和光学厚度,特别是在热带和亚热带地区。尘源区域主要是沙漠,干涸的湖床,半干旱的沙漠边缘,而且地区干旱地区植被减少或土壤表面受到人类活动干扰。

•海盐:海盐气溶胶是由各种物理过程,特别是在白帽队队员形成携入的空气泡沫的破裂。这种类型的气溶胶可能主要贡献者光散射和云核在这些区域附近的海洋大气。

•工业粉尘,主要人为气溶胶:交通、煤炭燃烧,水泥制造、冶金、和垃圾焚烧技术和工业活动产生初级气溶胶粒子。

•碳质气溶胶(有机和黑碳):含碳化合物组成一个大型但大气气溶胶高度可变的分数。有机物是生物质燃烧气溶胶的最大组成部分。碳质气溶胶的主要来源是生物质和化石燃料的燃烧,大气生物氧化和人为的挥发性有机化合物(VOC)。

•初级生物气溶胶:初级生物气溶胶包括植物碎片(表皮蜡、叶碎片等),腐殖质物质,粒子和微生物(细菌、真菌、病毒、海藻、花粉、孢子、等等)。

•硫酸盐气溶胶:大气中硫酸盐气溶胶是由化学反应从气态前体(除了海盐硫酸盐和石膏尘埃粒子)。

•硝酸气溶胶:硝酸气溶胶是硫酸和铵的相对丰度密切相关。

•从火山气溶胶:两个组件的火山气溶胶排放最重要的意义:主要的粉尘和气态硫。

许多气溶胶物种(如硫酸盐,二次有机物)不能直接排放,但从气态前体和气溶胶在大气中形成物种经常结合形成混合粒子与光学特性和大气寿命不同的组件。也云影响气溶胶清除气溶胶在一个复杂的方式,通过液相化学添加质量,并通过新的气溶胶粒子的形成和附近的云。形成的次生气溶胶大气相互作用的结果大气中也发挥了重要作用。

IPCC第四次评估报告包括一个重要的讨论关注由于大气气溶胶辐射强迫。气溶胶直接或间接地与地球辐射交互预算和气候。raybet雷竞技最新直接影响,气溶胶散射阳光直接回太空。作为一种间接影响,低层大气中的气溶胶可以修改云粒子的大小,改变云层反射和吸收阳光,从而影响地球的能源预算。间接影响从而修改辐射特性和生活时间的云。这些直接和间接气溶胶对辐射强迫的影响进行描述示意图如图1所示。气溶胶也可以作为网站发生化学反应(异构化学)。

气溶胶也导致大气污染,影响人类健康和可见性。例如,气溶胶与大城市污染对人类健康的影响。他们还在几个方面影响全球气候。raybet雷竞技最新不同的影响表现在以下特定大气中悬浮颗粒和气体之间的相互作用(6、7):

•浓缩阶段(气溶胶-固体或液体)或吸收吸附材料。这可能导致潜在的化合物转换和变化的总体特征浓缩阶段。因此,他们作为反应的催化剂在大气中通过异构过程。

•固体气溶胶粒子可以hygroscopically生长和作为反应的溶剂媒体如气态物质转换成次要的有机气溶胶。

•气溶胶吸附或吸收污染物可以调解干态和湿沉积地球表面的污染物,水体。

•气溶胶的散射光和可以改变整体能见度低对流层。这还会影响温度和整体在低层大气环流模式。

•在上层大气气溶胶的存在可以显著降低温度,从而导致整体温室效应和全球气候变化。raybet雷竞技最新

额外的反射造成的气溶胶污染将影响气候比较级大气温室气体浓度增加。raybet雷竞技最新然而,气溶胶的影响将对增加大气痕量气体的影响,冷却而不是大气变暖。温室气体的温室效应将发生无处不在,但污染气溶胶的降温效果会有些地区,例如,和顺风的工业区附近。没有人知道大气变暖的结果将在一些地区和冷却。raybet雷竞技最新气候模型仍过于原始提供可靠的见解可能结果(9)。

然而,低层大气的影响已经有了很清楚的了解,有一个真正的缺乏理解和不确定性对高层大气的影响。IPCC还确认,在文献中有明显的差距气溶胶辐射强迫(图2)。注意到大量的不确定性预测由气溶胶辐射强迫和低气溶胶辐射强迫的科学认识。

虽然有几本书可以在大气气溶胶,他们通常倾向于关注特定方面,例如,气溶胶(乔)和对健康的影响

联合国摄动云

Driuja tncraaaad云h *增加飞行云抑制。[Pineus &面包师。1934)

增加LWC (Afcrecht, 1989)

散射和吸收的辐射

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联合国摄动云

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Ckwd UHttm * / fecf 2”/ Aibr + cht e / fecf间接影响

讨厌causaa云bum-off (Ackarman 2000)

Sfnt-difct效应

图1所示。原理图显示与云相关的各种辐射机制影响与气溶胶(从气候变化的2007年,政府间气候变化专门委员会的评估——从剑桥大学出版社许可,纽约)raybet雷竞技最新

属性和气溶胶的形成方面(11 - 13),气溶胶化学(1416)。现在的书是为了解决一些文献中的空白领域的特别特征和化学的大气气溶胶和建模。这些章节的作者是这个领域新兴的领导者和他们的贡献在这本书的评论他们的工作以及该领域的最新进展。

这本书的组织

这本书的概念来自于两个座谈会,我们组织在2007年秋季在美国化学学会的全国会议在波士顿,MA。座谈会题为“大气气溶胶过程”吸引观众和需要专业书的话题被几个与会者指出,因此这本书的想法出现。这本书分为三个部分:特征、化学和大气气溶胶的建模。

这本书的描述部分包括三章。的章节包括:气溶胶粒子反应性形态的作用;的特点和细胞毒性的影响环境空气中颗粒物的蒋介石mai-Lamphun盆地在泰国北部;和甲苯分解在电晕放电的水滴。熊教授的研究小组提出了作用的实验证据形态对气溶胶粒子的反应。油酸粒子的臭氧分解释放到大气中研究,作者得出结论从他们的工作和从其他研究的证据表明,粒子形态除了化学成分必须考虑当评估粒子反应。这一章展示的环境空气中细粒物质的评论近期调查空气传播污染物对人类健康的影响,特别是颗粒物的水平和分布(< 10果酱和害怕< 2.5 im)以及诱变和细胞毒性的样本收集过滤器在泰国蒋介石Mai-Lamphun盆地。吴教授介绍了甲苯(一个模型化合物代表长寿的环境和潜在致癌污染物)分解水滴在电晕放电。作者提出,这些反应会有许多应用在空气污染控制和工业生产过程。

化学部分的书涵盖了几个有趣的主题包括次生气溶胶和章节包括:全氟化合物的表面活性空气界面;大气化学的城市表面的电影;二次有机气溶胶的光化学氧化形成的单萜;高度集中的影响干燥(NH4) 2 s04种子

气候在1750年和2005年之间的辐射强迫raybet雷竞技最新

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科学认识

图2。人为和自然气候迫使2005年相对于1750年。raybet雷竞技最新注意与气溶胶相关联的酒吧和竖线,(从气候变化的2007年,政府间气候变化专门委员会的评估——许可Cambride大学出版社,纽约)raybet雷竞技最新。

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气溶胶对臭氧和二次有机气溶胶的形成在芳烃/氮氧化合物光致氧化系统;气相吸附和紫外线photo-oxidation菲大气的电影。Vaida教授和同事从实验调查报道,全氟化合物作为有效的表面活性剂水溶液的表面大气气溶胶粒子,因此可能会增加大气传输,分布和沉积。唐纳森教授和他的团队提供了一个总结他们在大气化学研究工作的大型城市电影表面涂层和固定建筑,道路,等等。他们假设化学这样的电影可能是重要的在确定当地氧化强度和污染物浓度。Nizkorodov教授为首的研究小组在他们的贡献他们的工作报道二次有机气溶胶(SOA)是由大气单萜尤其是光化学氧化过程发生在这些生物粒子SOA。SOA的光解修改粒子的化学成分SOA进而导致排放的挥发性小分子回气相。这可以解释的存在许多观察产品在大气中光解产生的有机过氧化物和金属羰基合物。一个来自中国和日本的研究人员组成的国际组织在他们的贡献提出了实验结果高度浓缩硫酸氨干燥种子的影响气溶胶对臭氧和SOA的形成。硫酸铝的存在高度集中干气溶胶没有影响气相在芳香族碳氢化合物光致氧化反应系统,但增强SOA生成和SOA产量和作者假设这些结果可以利用SOA建模形成尤其是对空气质量模拟涉及颗粒物污染。最后一章在这部分报告实验结果的吸附和紫外线光致氧化气相半挥发性的多环芳烃,菲在大气水的电影。菲的界面分区增加表面活性物质的存在。 Moreover, the surface reaction of phenanthrene proceeded faster than the reaction in the bulk phase. The authors identified the different pathways of photooxidation for the surface reaction as well as reactions in the bulk water.

最后这本书的建模部分包含两个非常有趣的章节;理解气溶胶的气候效应:建模气溶胶的辐射效应;住宅新奥尔良卡特里娜飓风后的环境影响:室内沉积、气相污染物和雾化。贾教授和他的研究小组提出了一个aerosol-climate交互的元素的报告和不确定性的底层aerosol-climate建模以及辐射强迫的气候影响。raybet雷竞技最新最后一章处理住宅的室内环境中污染物雾化卡特里娜飓风在新奥尔良。作者报告,发现室内污染物比污染物更高度集中在洪水中发现户外活动使它更有害的居民,第一反应和恢复人员在卡特里娜飓风之后。

这本书,因此汇集了大气气溶胶特性的不同方面,化学和建模。它代表了一个独特的收藏的文章,希望带来进一步洞察大气气溶胶及其重要性的重要领域。进一步的研究无疑是必要的在这一重要领域,就像在研讨会上表示,这本书形成的基础。

引用

1。2007年联合国政府间气候变化专门委员会,福斯特et al .,“辐射强迫大气成分的变化”,在:2007年气候变化:物理科学基础,工作组的贡献1的政府间气候变化专门委员会第四次评估报告,剑桥大raybet雷竞技最新学出版社,剑桥,英国,纽约,纽约。

2。拉马纳坦,V。拉玛,M。罗伯茨,G。金,D。科里根,C。程,C。温克勒,D。,自然,2007,448,575 - 578。

3所示。Christner B。莫里斯,C,工头,C。Cai, R。金沙,D。、科学、2008、319、1214。

4所示。“J。施瓦兹,S.E.,2007年,气溶胶特性和流程-路径从现场和实验室测量到全球气候模型,公牛。raybet雷竞技最新阿米尔。流星。Soc, 1059 - 1083 doi: 10.1175 / bams - 88 - 7 - 1059。

5。希德后来、1999年气溶胶技术:属性、行为和机载测量粒子,第二版,威利,纽约。

6。Warneck, P。,2000,化学的自然大气,2 nd版,学术出版社,圣地亚哥,CA。

7所示。宋飞,J.H.、Pandis S.N.大气化学和物理,2006年从空气污染对气候变化,第二版,约翰威利& Sons, Inc .,纽约,纽约。raybet雷竞技最新

8。Valsaraj, K.T.2000年环境工程-Thermodyanmics元素和动力学,第二版,CRC出版社,佛罗里达州波卡拉顿的。

9。美国国家航空航天局,2008年,“大气气溶胶”,NASA在线的事实,http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/Aerosols.html

10。鲁兹,LS。,哈利NH。,2005年,气溶胶手册:测量、剂量测定法和健康的影响,CRC出版社,佛罗里达州波卡拉顿的。

11。康德拉泰耶夫,肯塔基州。、Ivley LS。、Krapivon VF。,Varostos CA。2005年,大气气溶胶特性:形成、过程和影响,施普林格-,纽约。

12。Spurny,投资者(主编),2000年,气溶胶环境中的化学过程,刘易斯出版商佛罗里达州波卡拉顿的。

13。Baumgartel, H。Grunbein, W。Hensel F。(编辑),1999年,全球大气化学、Springer,纽约,纽约。

14。Meszaros E。,1999年基本Amospheric气溶胶化学,Akademiai Kiado,布达佩斯,匈牙利。

15。Gelenscer a . 2004年,碳质气溶胶,施普林格,荷兰多德雷赫特。

16。Colbeck,即(编辑),环境化学的气溶胶,布莱克威尔出版有限公司IA艾姆斯。

第二章

继续阅读:对气溶胶粒子形态反应的作用

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