气溶胶分布及成核作用课件.ppt

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1、气溶胶的分布及成核作用气溶胶的分布及成核作用刘培刘培 硕硕92092031090190033109019003-目录目录气溶胶的粒径分布气溶胶的粒径分布 1大气气溶胶谱分布函数的经验描述大气气溶胶谱分布函数的经验描述2气溶胶粒子的三模态及其特性气溶胶粒子的三模态及其特性3气溶胶粒子的成核作用气溶胶粒子的成核作用4-气溶胶的定义气溶胶的定义气溶胶：气溶胶：液体或固体微粒均匀的分散在气体中形成的液体或固体微粒均匀的分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。相对稳定的悬浮体系。固体或液体微粒固体或液体微粒：通常称为颗粒物或粒子，是指空气通常称为颗粒物或粒子，是指空气动力学直径为动力学直径为0.003-1

2、00um的液滴或固态粒子。的液滴或固态粒子。-大气颗粒物的粒度分布大气颗粒物的粒度分布等效直径等效直径光学等效直径光学等效直径 Diagram 3Diagram 4体积等效直径或几何直径体积等效直径或几何直径 空气动力学等效直径空气动力学等效直径-空气动力学直径（空气动力学直径（D Dp p）式中：Dg几何直径 p忽略了浮力效应的粒密度 0参考密度（0=1g/cm3）K形状系数，当粒子为球状时，K=1.0从上式可见，对于球状粒子，从上式可见，对于球状粒子，p对对Dp是有影响的。当是有影响的。当p较大时，较大时，Dp会比会比Dg大。由于大多数大气粒子满足大。由于大多数大气粒子满足p10，因此，因

3、此Dp和和 Dg的差值因子必定小于的差值因子必定小于3。-大气气溶胶谱分布函数的经验描述大气气溶胶谱分布函数的经验描述123对数正态分布对数正态分布 幂指数定律幂指数定律 修正的修正的谱分布谱分布-对数正态分布对数正态分布-典型城市气溶胶数谱分布、表面积谱分布和体积谱分布典型城市气溶胶数谱分布、表面积谱分布和体积谱分布-幂指数定律幂指数定律 德国科学家junge在总结了大量实验观测结果的基础上，于1963年首先提出以“幂指数定律”来表示数分布函数，其数学表达式为：Junge分布简洁明了，但只适用于分布简洁明了，但只适用于0.1-10um粒径粒径范围内的数浓度谱分布，可以很好地拟合城市气溶范围内

4、的数浓度谱分布，可以很好地拟合城市气溶胶数谱分布。胶数谱分布。-修正的修正的谱分布谱分布 式中：式中：A、b、B、c四个参数是正数四个参数是正数与幂指数定律数谱分布函数相比，与幂指数定律数谱分布函数相比，谱分布很繁琐谱分布很繁琐 Deirmendjian于于1969年提出用修正的年提出用修正的谱分布，近似描述环境谱分布，近似描述环境大气气溶胶数谱分布：大气气溶胶数谱分布：-气溶胶粒子的三模态及其特性气溶胶粒子的三模态及其特性-气溶胶粒子的三模态气溶胶粒子的三模态 粒径小于粒径小于0.05um的的粒子粒子 粒径在粒径在0.05-2um范围的粒子范围的粒子 粒径大于粒径大于2um的粒的粒子子-三模

5、态的主要形成和去除机制三模态的主要形成和去除机制 来源：来源：燃烧过程所产燃烧过程所产生的气溶胶粒子、二生的气溶胶粒子、二次粒子次粒子 特点：特点：易易“老化老化”碰并：碰并：即在已有颗粒即在已有颗粒物上化学转化生成的物上化学转化生成的冷气冷凝后生长冷气冷凝后生长 来源：来源：爱根核膜的凝爱根核膜的凝聚、蒸汽冷凝、凝聚、聚、蒸汽冷凝、凝聚、各种气体分子转化成各种气体分子转化成的二次气溶胶的二次气溶胶去除方式：去除方式：不易被干、不易被干、湿沉降出去，主要通湿沉降出去，主要通过扩散去除过扩散去除 来源：来源：机械过程所造机械过程所造成的扬尘、海盐溅沫、成的扬尘、海盐溅沫、火山灰和风砂等一次火山灰

6、和风砂等一次气溶胶粒子气溶胶粒子 去除方式：去除方式：干沉降和干沉降和雨水冲刷雨水冲刷-粗、细粒子之间的相互作用粗、细粒子之间的相互作用由于气溶胶老化，由于气溶胶老化，使积聚模的体积使积聚模的体积浓度有很大增长，浓度有很大增长，对粗粒子体积的对粗粒子体积的影响却相对较小影响却相对较小 -各模态粒子之间的相互作用各模态粒子之间的相互作用 由上表可以看出，核膜与积聚模之间的凝聚作由上表可以看出，核膜与积聚模之间的凝聚作用超过核膜之间的凝聚作用。粗膜与粗膜之间用超过核膜之间的凝聚作用。粗膜与粗膜之间的凝聚作用以及积聚模与粗膜之间均可忽略的凝聚作用以及积聚模与粗膜之间均可忽略 -气溶胶粒子的成核作用气

7、溶胶粒子的成核作用成核过程成核过程=物理过程物理过程+化学过程化学过程-均相成核均相成核-由气体分子形成新核由气体分子形成新核p均相成核：均相成核：当某物种的蒸气在气体中达到一定过饱和度时，当某物种的蒸气在气体中达到一定过饱和度时，由单个蒸气分子凝结成为分子团的过程由单个蒸气分子凝结成为分子团的过程p能量最低原理：能量最低原理：气体分子若能形成新核，必须在成核后使气体分子若能形成新核，必须在成核后使体系能量降到最低，只有这样，新核才能稳定体系能量降到最低，只有这样，新核才能稳定-胚芽初期形成的可能性胚芽初期形成的可能性当当e（H2O蒸汽压）蒸汽压）0。根。根据热力学原理，在等温、据热力学原理，

8、在等温、等压条件下，等压条件下，GT0的的过程为非自发过程。因此，过程为非自发过程。因此，利于利于r的增大，即不利于胚的增大，即不利于胚芽的自发形成。在这种情芽的自发形成。在这种情况下，即使由于分子碰撞况下，即使由于分子碰撞形成了胚芽，仍然会由于形成了胚芽，仍然会由于蒸发（自发过程）而难以蒸发（自发过程）而难以稳定存在。稳定存在。未未饱饱和和状状态态当当ees时，那么时，那么GT可能大于零，也可能小于零。初始阶可能大于零，也可能小于零。初始阶段，随段，随r的增加的增加GT有所增大。当有所增大。当r=r*时，时，GT 达到最大达到最大GT*；当；当r继续增大时，继续增大时，GT反而减小。反而减小

9、。r*称为临界半径，称为临界半径，这时胚芽称为临界胚芽这时胚芽称为临界胚芽 过过饱饱和和状状态态-s s和和RHRH与对与对r*r*的关系的关系 从图中可以看出，半从图中可以看出，半径为径为0.01um0.01um的小液滴要的小液滴要与环境达到不稳定的平与环境达到不稳定的平衡，就需要相对湿度为衡，就需要相对湿度为112.5%112.5%或过饱和度为或过饱和度为12.5%12.5%。而半径为。而半径为1.0um1.0um的小液滴与环境达到不的小液滴与环境达到不稳定平衡时，只要求稳定平衡时，只要求100.12%100.12%的相对湿度或的相对湿度或0.12%0.12%的过饱和度。的过饱和度。这就是

10、为什么在大、这就是为什么在大、小液滴同时存在时，小小液滴同时存在时，小液滴往往不易长大而易液滴往往不易长大而易蒸发、消失，但大液滴蒸发、消失，但大液滴却不断长大的原因。却不断长大的原因。S过饱和度过饱和度RH相对湿度相对湿度-气溶胶粒子的非均相成核气溶胶粒子的非均相成核 非均相成核：当有外来粒子作为核心时，蒸气分子凝结在该非均相成核：当有外来粒子作为核心时，蒸气分子凝结在该核心表面的过程核心表面的过程-新粒子生成新粒子生成 成核理论成核理论 水水-硫酸硫酸均相成核均相成核 水水-硫酸硫酸-氨氨均相成核均相成核低蒸汽压低蒸汽压有机化合物有机化合物均相成核均相成核 离子诱离子诱导成核导成核-颗粒物

11、的生成和增长过程颗粒物的生成和增长过程-成核理论的原理及适用条件成核理论的原理及适用条件低温、高湿、低温、高湿、大气中已存大气中已存在的颗粒物在的颗粒物比较少、硫比较少、硫酸蒸气浓度酸蒸气浓度比较高比较高给出足够高给出足够高的成核速率，的成核速率，可以合理的可以合理的解释在海岸解释在海岸地区所观测地区所观测到的高成核到的高成核速率事件速率事件大气离子参与大气离子参与成核，提高了成核，提高了成核速率，用成核速率，用于解释目前观于解释目前观测值和理论值测值和理论值之间的差别。之间的差别。成功的预测了成功的预测了飞机排放气溶飞机排放气溶胶的演变胶的演变-l 新粒子发生时，核膜态粒子数新粒子发生时，核膜态粒子数 浓度急剧增加浓度急剧增加在干净地区和污染大气中均在干净地区和污染大气中均观测到了新粒子发生的现象。观测到了新粒子发生的现象。不同性质的大气中观测到的不同性质的大气中观测到的新粒子发生的特点不同新粒子发生的特点不同l 随着时间的推移，颗粒物不断随着时间的推移，颗粒物不断 长大，在夜晚停止生长并维长大，在夜晚停止生长并维持持 稳定稳定-Thank youThank you-