氣溶膠

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氣溶膠是液態或固態微粒在空氣中的懸浮體系它們能作為水滴和冰晶的凝結核見大氣凝結核大氣冰核太陽輻XX的吸 收體和散XX體並參與各種化學循環是大氣的重要組成部分霧煙霾輕霧靄微塵和煙霧等都是天然的或人為的原因造成的大氣氣溶膠

目錄 1定義

2分類

3粒度

4消除

5特性

6作用

7種類

自然產生 人類產生 濃度分佈 化學組成 8特性

9應用

10全球變暖

11最新研究進展

12研究單位

1定義氣溶膠aerosol由固體或液體小質點分散並懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系又稱氣體分散體系其分散相為固體或液體小質點其大小為0.001~100微米分散介質為氣體天空中的雲霧塵埃工業上和運輸業上用的鍋爐和各種發動機里未燃盡的燃料所形成的煙採礦採石場磨材和糧食加工時所形成的固體粉塵人造的掩蔽煙幕和毒煙等都是氣溶膠的具體實例

2分類氣溶膠按其來源可分為一次氣溶膠以微粒形式直接從發生源XX大氣和二次氣溶膠在大氣中由一次污染物轉化而生成兩種它們可以來自被風揚起的細灰和微塵海水濺沫蒸發而成的鹽粒火山爆發的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源也可以來自化石和非化石燃料的燃燒交通運輸以及各種工業排放的煙塵等人為源

3粒度描述氣溶膠粒度的常用術語是當量直徑即粒子直徑的可測量指標被測的不規則粒子的當量直徑就是與之有相同物理性質球形粒子的直徑一般有空氣動力學當量直徑遷移率當量直徑質量當量直徑表面當量直徑擴散當量直徑等等例如空氣動力學直徑是與不規則粒子有著相同沉降速率的單位密度1000kg/m3或1g/cm3的球形粒子的直徑

一般說來半徑小於1微米的粒子大都是由氣體到微粒的成核凝結凝聚等過程所生成而較大的粒子則是由固體和液體的XX等機械過程所形成它們在結構上可以是均相的也可以是多相的已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程液體氣溶膠微粒一般呈球形固體微粒則形狀不規則其半徑一般為0.001~100微米粒徑在10-1~101微米的氣溶膠在大氣光學大氣輻XX大氣化學大氣污染和雲物理學等方面具有重要作用

小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制而大粒子的濃度則受沉降作用所限制微粒在大氣中沉降的過程中 受的阻力和重力的作用達到平衡時各種粒子的沉降速度不同

4消除氣溶膠的消除主要靠大氣的降水小粒子間的碰並凝聚聚合和沉降過程

氣溶膠儀器

5特性科學發明萊爾·達維·古德休美國氣溶膠凡分散介質為氣體的膠體物系成為氣溶膠它們的粒子大小約在100~10000納米之間屬於粗分散物系氣溶膠粒子是懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆 直接噴XX性氣溶膠儀器

粒有的來源於自然界如火山噴發的煙塵被風吹起的土壤微粒海水飛濺揚入大氣后而被蒸發的鹽粒細菌生物植物的孢子花粉流星燃燒所產生的細小微粒和宇宙塵埃等有的是由於人類活動如煤油及其他礦物燃料的燃燒物質以及車輛產生的廢氣排放至空氣中的大量煙粒等當氣溶膠的濃度達到足夠高時將對人類健康造成威脅尤其是對哮喘病人及其他有呼吸疾病的人群空氣中的氣溶膠還能傳播真菌病毒這可能會導致一些地區疾病的流行和爆發

氣溶膠粒子具有分佈不均勻變化尺度小複雜性的特點多集中於大氣的底層對雲的凝結核雨滴冰晶形成進而對降水的形成起重要作用氣溶膠甚至可以改變雲的存在時間能夠在雲的表面產生化學反應決定降雨量的多少影響大氣成分

6作用氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候一方面可以將太陽光反XX到太空中從而冷卻大氣並會使大氣的能見度變壞,另一方面卻能通過微粒散XX漫XX和吸收一部分太陽輻XX減少地面長波輻XX的外逸使大氣升溫

7種類自然產生天然氣溶膠雲霧靄煙海鹽等

生物氣溶膠微粒中含有微生物或生物大分子等生物物質的稱為生物氣溶膠bioaerosol其中含有微生物的稱為微生物氣溶膠

人類產生工業化氣溶膠有殺蟲劑消毒劑衛生消毒劑洗滌劑清潔劑蠟油漆和髮膠

食用氣溶膠攪拌過的奶油

氣溶膠能夠引起丁達爾效應

氣溶膠中的粒子具有很多特有的動力性質光學性質電學性質比如布朗運動,光的折XX象彩虹,月暈之類都是因為光線穿過大氣層而引起的折XX現象.而大氣中含有很多的粒子這些粒子就行成了氣溶膠

氣溶膠在醫學,環境科學軍事學方面都有很大的應用.在醫學方面應用於治療呼吸道疾病的粉塵型葯的製備,因為粉塵型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利於疾病的治療環境科學方面比如用衛星檢測火災.在軍事方面比如煙霧彈之類還有可以製造氣溶膠煙霧來防禦激光武器

氣溶膠的容器內含有兩種物質--有待噴XX的液態物和保持壓力的壓縮氣體當撳下按鈕時閥門張開壓縮氣體將噴嘴裡的一些液態物壓出

歷史沿革

1926年挪威科學家埃里克·羅西姆首先想出了這個點子但其他一些科學家也同樣有此想法美國人朱利葉斯·S·可汗想出了一次性使用的金屬霧筒同樣來自美國的萊爾·達維·古德休則進一步研製了這一發明使它成為可以上市的商品1941年第一批氣溶膠開始銷售

氣溶膠廣泛應用於一系列消費品塗漆清潔劑擦光劑除臭劑香水剃鬚乳劑甚至摜奶油都廣泛地以氣溶膠方式銷售另外人們還證明它們在衛生保健上也是行之有效的可用來治療某些呼吸器官的疾病

但也發現了氣溶膠存在的一個問題用於壓縮氣體的化學藥品通常是含氯氟烴(即CFCs)已證明它是對地球大氣層上的臭氧層造成損害的一類物質

最流行的現代氣溶膠壓縮氣體是氧化氣體它能在氣溶膠噴筒內生成像丙烷異丁烷這類氣體也可使用

濃度分佈氣溶膠的濃度可以用一定體積中微粒的總質量來表示基本單位是微克/米也可以用數密度即單位體積內的粒子數目來表示氣溶膠的分佈特性通常可用其粒子數目(n)粒子表面積(S)粒子的體積(V)或質量(m)按粒徑大小(D)的分佈來描述一般作dn/d lgDdS/d lgD和dV/d lgD對lgD的分佈圖,它們基本上呈正態分佈對於半徑(r)在0.1微米和10微米之間的粒子一般用容格(Junge)分佈來表示即 n(r)=Cr

式中v近似等於3,C是正比于粒子濃度的常數但是20世紀70年代以來有人提出三模態大氣氣溶膠的分佈(愛根核模積聚模和粗粒子模)圖中還示出它們的粒徑範圍主要質量源以及質量的輸入或去除的主要過程由此可見愛根核範圍的粒子是由高溫過程或化學過程產生的蒸汽凝結而成積聚作用範圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結長大而形成80%以上的大氣硫酸鹽微粒屬於此模粗粒子則是由液滴蒸發機械粉碎等過程形成細粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右從對人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子常阻留在鼻腔和鼻咽喉部2~10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內滯留的比率增加0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內附著的比率增加半徑小於0.1微米的粒子,其數密度隨離地面高度的增加而減小這表明它們來源於地表但半徑0.1~1微米的粒子其數密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,並且在15~20公里附近出現極大值形成平流層內的氣溶膠層這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經氧化成固體而形成的它雖然只佔大氣中氣溶膠總量的百分之幾但對於大氣的氣溫有重要的影響通過大氣遙感可探測氣溶膠粒子的平均譜分佈

化學組成氣溶膠的化學組成十分複雜它含有各種微量金屬無機氧化物硫酸鹽硝酸鹽和含氧有機化合物等由於來源不同形成過程也不同故其成分不一特別是城市大氣受污染源的影響氣溶膠的成分變動較大但是非城市大氣氣溶膠的成分比較穩定大體上與地區的土壤成分有關

大氣中二氧化硫轉化形成的硫酸鹽是氣溶膠的主要成分之一其轉化過程尚未完全明白已知二氧化硫可在均相條件下在氣相中或在水滴碳顆粒和有機物顆粒表面等多相條件下在液相或固相表面上轉化成三氧化硫再與水反應生成硫酸並和金屬氧化物的微塵反應而生成硫酸鹽硫是氣溶膠內最重要的元素其含量能反映污染物的全球性遷移傳輸和分佈的狀況見大氣微量氣體

氣溶膠中硝酸鹽和有機物的形成機制尚待研究氣溶膠中有離子(NH4+)存在能與硫酸根離子(SO42-)和硝酸根離子(NO3-)生成銨鹽至於氣溶膠中的有機物,更是許多種類有機物的複雜混合物其中包括稀烴烷烴芳烴多環芳烴酮酸醌酯以及有機氮化物和有機硫化物

氣溶膠來源於土壤的各種元素如銪鈉鉀鋇銣鑭鈰硅釤鈦釷鋁等其含量在地區之間差別不大而來源於工業區的各種元素如氯鎢銀錳鎘鋅銻鎳砷鉻等就有較大的地區差別

氣溶膠是大氣中極其重要的組成部分它不僅直接影響人類的健康還能增加大氣的化學反應降低能見度增加降水成雲和成霧的可能性影響大氣輻XX收支導致環境溫度和植物生長速率的改變以及沾污材料對氣溶膠的研究無論對於大氣化學雲和降水物理學大氣光學大氣電學大氣輻XX學氣候學環境醫學或者生態學等學科來說都有重要意義但氣溶膠化學組成的研究僅是開始還有待於今后發展

製備方法

可分為分散法和凝聚法兩大類分散法是借助外力將固體或液體分裂成較小的部分又分為固體的機械磨碎法和液體噴霧法所得氣溶膠的分散程度往往不高凝聚法是將分散相物質先分裂成單個分子的物質(即成氣體或蒸氣狀的物質)然後再凝結成膠體大小的質點因此包含過飽和蒸氣的形成和過飽和蒸氣的凝聚兩個階段其關鍵是得到過飽和蒸氣這可以由蒸氣冷卻凝聚和化學反應來達到對每一種物質來說在一定的溫度下飽和蒸氣的最大濃度及其相應的飽和蒸氣壓都是一定的且隨溫度的降低而減小因此當蒸氣冷卻時過飽和蒸氣在凝結中心(或稱核心)產生凝聚形成氣溶膠質點凝結中心可以是塵粒其他的大氣核心離子和極性分子等但過飽和度相當高時蒸氣分子本身可凝結而無需核心利用化學反應可產生蒸氣壓小的物質達到過飽和就凝聚通常所制得的氣溶膠質點一般都是多分散的用氣溶膠發生器並控制反應條件可得到單分散的氣溶膠

8特性由於氣溶膠的分散介質是氣體氣體的粘度小分散相與分散介質的密度差很大質點相碰時極易粘結以及液體質點的揮發使氣溶膠有其獨特的規律性氣溶膠質點有相當大的比表面和表面能可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速甚至可以引起爆炸如磨細的糖澱粉和煤等

氣溶膠質點能發生光的散XX這是使天空成為藍色太陽落山時成為紅色的原因在動力性質方面其布朗運動非常劇烈當質點小時具有擴散性質當質點大時由於與介質的密度差大沉降顯著因介質是氣體這些動力性質與氣體分子自由路程有關在電學性質方面氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在但可以帶電其電荷來源於與大氣中氣體離子的碰撞或與介質的摩擦所帶電荷量不等且隨時間變化質點既可帶正電也可帶負電說明其電性決定於外界條件在穩定性方面氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層相碰時即發生聚結生成大液滴(霧)或聚集體(煙)此過程進展極其迅速所以氣溶膠是極不穩定的膠體分散體系但由於布朗運動的存在也具有一定的相對穩定性

9應用氣溶膠在工業農業國防和其他方面都已得到廣泛的應用如加快燃燒速率和充分利用燃料噴霧乾燥可提高產品質量已廣泛用於醫藥工業與洗衣粉的生產農業上農藥的噴灑可提高藥效降低藥品的消耗利用氣溶膠進行人工降雨可大大改善旱情國防上用來製造信號彈和遮蔽煙幕

工業城市上空的煙霧和工廠礦井中的煙塵對人體健康危害極大(如硅肺)還有破壞大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉塵都和氣溶膠有關

10全球變暖研究稱氣溶膠對全球變暖的冷卻效應很微弱一位挪威科學家表示他已經估測出了氣溶膠到底能對氣候產生多大影響

散布在大氣中的氣溶膠微粒對太陽光具有反XX效應進而可以遮蔽全球變暖的影響而這位挪威科學家的研究項目的目的是要綜合運用反應這種直接氣溶膠效應的各類模型和觀測結果以準確評估這一冷卻效應的作用

據英國廣播公司消息挪威國際氣候和環境研究中心的氣候科學家岡納·邁爾Gunnar Myhre在科學雜誌上報告說他的研究發現冷卻效應並不像此前研究預測的那麼強烈邁爾說這能清楚地表明到目前為止人類到底給氣候帶來了多大的改變他研究的污染微粒包括硫酸鹽等工業氣溶膠燃燒農業廢棄物所排放的硝酸鹽以及柴油發動機和其它燃燒形式所產生的黑碳煤煙氣溶膠排放的全球模型顯示溫室氣體造成的全球變暖有大約10%被它們氣溶膠的冷卻效應消除了參與該項研究的英國氣象局氣溶膠研究員吉姆·海伍德Jim Haywood解釋說但利用衛星手段探測到的大氣氣溶膠的含量卻表明冷卻效應消除了大約20%的全球變暖

邁爾協調了兩種方法最終得到了一個更為精確的評估數據冷卻效應接近10%這一結果比聯合國政府間氣候變化專家委員會(IPCC)此前所預測的要弱硫酸鹽和有機碳反XX太陽輻XX而黑碳在很大程度上卻會吸收太陽輻XX他解釋說模型考慮到了黑碳排放增幅多於其它兩種氣溶膠的情況但基於觀測的方法卻難以將其考慮在內因為我們只有針對當前狀況的觀測數據而且不是在人類活動開始之前的這將對以後的氣候預測產生影響海伍德說

不過氣溶膠對氣候的影響遠不止於此氣溶膠微粒會改變雲層增加大氣中液滴濃度從而增加雲量邁爾說這種間接氣溶膠效應引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在很多不確定海伍德對此表示同意氣溶膠對雲量的影響讓我們很傷腦筋他說這給我們的數據採集留下了一個大空白他和英國氣象局的同事已經開始研究是否可以利用氣溶膠來有意地遏制全球變暖

在最近的一項研究中他通過氣候模型來預測利用海鹽顆粒增加雲層的反照率這種故意使雲層變亮的手段將對全球氣溫產生什麼樣的影響研究小組發現全球變暖將被延緩多達25年但他們同時發現這種方法也會帶來很多不利影響研究人員說其中最嚴重的後果就是南美地區的降雨量將大幅減少這很可能會加速亞馬遜雨林的枯萎給這一世界主要碳匯造成損失採用這種方法你必須非常謹慎地選擇雲層海伍德說邁爾指出同溫室氣體相比氣溶膠對氣候的影響最終將變得無足輕重

氣溶膠的壽命很短而溫室氣體的壽命卻很長二氧化碳可以存在100多年他說在將來溫室氣體才是全球變暖真正的大問題它們的影響將越來越重要

11最新研究進展氣溶膠產生過程

據一項研究報告在芬蘭Hyytiälä北方森林中的實地研究及在實驗室中的試驗揭示了氣體分子是如何形成大氣氣溶膠的這些發現可能就新氣溶膠形成對大氣氣溶膠預算的作用及其對氣候的影響有所啟示

大多數的氣溶膠它們是來自火山塵埃污染物及其它來源的極小的在空氣中傳播的顆粒是從它們本身的環境中產生的而不是從陸地海洋或太空被完整直接地運輸過來的這些氣溶膠來自一種增長過程它開始時為大氣中的分子及分子簇它的尺寸隨著其獲取其它分子分子簇和顆粒而變得越來越大

在二十世紀90年代科學家們已經發現了大氣顆粒形成機制的線索但在那時要知道其確切的機制是不可能的因為他們沒有足夠的能力來檢測微小顆粒以觀察這一過程的肇始

Markku Kulmala及其同事研發了敏感的新技術使得人們能夠檢測並對這些細小的起源物進行計數從而使人們能夠詳細地勾勒出氣溶膠形成的過程研究人員發現氣溶膠形成的起始步驟是以直徑小於2納米的集簇物開始而硫酸及有機分子是顆粒增長過程的關鍵成分研究人員發現硫酸和像碳這樣的有機分子會連接在一起形成一種關鍵性的集簇物它會增長成為一個氣溶膠顆粒集簇物足夠穩定的積聚以實現持續增長是氣溶膠形成的關鍵

理解氣溶膠是如何形成的對了解這些顆粒對氣候變化的影響是至關重要的[1]

12研究單位北京大學

南開大學

南京大學

南京信息工程大學

蘭州大學

吉林大學

清華大學

中科院大氣物理研究所

中科院城市環境研究所

中國環境科學研究院等科研院所

參考資料 1. Science:在芬蘭森林中揭示氣溶膠的產生過程 .生物360 .2013-02-22 [引用日期2013-02-23] .

相關文獻天津市春季氣溶膠消光特徵和輻XX效應的數值模擬-中國環境科學-2011年 第1期 (31)

S型熱氣溶膠滅火技術在電子設備房的應用-廣東建材-2011年 第1期 (27)

上海寶山區細顆粒氣溶膠PM2.5特徵-廣州化工-2011年 第3期 (39)

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1定義2分類3粒度4消除5特性6作用7種類7.1自然產生7.2人類產生7.3濃度分佈7.4化學組成8特性9應用10全球變暖11最新研究進展12研究單位

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1定義氣溶膠aerosol由固體或液體小質點分散並懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系又稱氣體分散體系其分散相為固體或液體小質點其大小為0.001~100微米分散介質為氣體天空中的雲霧塵埃工業上和運輸業上用的鍋爐和各種發動機里未燃盡的燃料所形成的煙採礦採石場磨材和糧食加工時所形成的固體粉塵人造的掩蔽煙幕和毒煙等都是氣溶膠的具體實例

2分類氣溶膠按其來源可分為一次氣溶膠以微粒形式直接從發生源XX大氣和二次氣溶膠在大氣中由一次污染物轉化而生成兩種它們可以來自被風揚起的細灰和微塵海水濺沫蒸發而成的鹽粒火山爆發的散落物以及森林燃燒的煙塵等天然源也可以來自化石和非化石燃料的燃燒交通運輸以及各種工業排放的煙塵等人為源

3粒度描述氣溶膠粒度的常用術語是當量直徑即粒子直徑的可測量指標被測的不規則粒子的當量直徑就是與之有相同物理性質的球形粒子的直徑一般有空氣動力學當量直徑遷移率當量直徑質量當量直徑表面當量直徑擴散當量直徑等等例如空氣動力學直徑是與不規則粒子有著相同沉降速率的單位密度1000kg/m3或1g/cm3的球形粒子的直徑

一般說來半徑小於1微米的粒子大都是由氣體到微粒的成核凝結凝聚等過程所生成而較大的粒子則是由固體和液體的XX等機械過程所形成它們在結構上可以是均相的也可以是多相的已生成的氣溶膠在大氣中仍然有可能再參加大氣的化學反應或物理過程液體氣溶膠微粒一般呈球形固體微粒則形狀不規則其半徑一般為0.001~100微米粒徑在10-1~101微米的氣溶膠在大氣光學大氣輻XX大氣化學大氣污染和雲物理學等方面具有重要作用

小粒徑氣溶膠的濃度受凝聚作用所限制而大粒子的濃度則受沉降作用所限制微粒在大氣中沉降的過程中 受的阻力和重力的作用達到平衡時各種粒子的沉降速度不同

4消除氣溶膠的消除主要靠大氣的降水小粒子間的碰並凝聚聚合和沉降過程

氣溶膠儀器

5特性科學發明萊爾·達維·古德休美國氣溶膠凡分散介質為氣體的膠體物系成為氣溶膠它們的粒子大小約在100~10000納米之間屬於粗分散物系氣溶膠粒子是懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆 直接噴XX性氣溶膠儀器

粒有的來源於自然界如火山噴發的煙塵被風吹起的土壤微粒海水飛濺揚入大氣后而被蒸發的鹽粒細菌微生物植物的孢子花粉流星燃燒所產生的細小微粒和宇宙塵埃等有的是由於人類活動如煤油及其他礦物燃料的燃燒物質以及車輛產生的廢氣排放至空氣中的大量煙粒等當氣溶膠的濃度達到足夠高時將對人類健康造成威脅尤其是對哮喘病人及其他有呼吸進疾病的人群空氣中的氣溶膠還能傳播真菌和病毒這可能會導致一些地區疾病的流行和爆發

氣溶膠粒子具有分佈不均勻變化尺度小複雜性的特點多集中於大氣的底層對雲的凝結核雨滴冰晶形成進而對降水的形成起重要作用氣溶膠甚至可以改變雲的存在時間能夠在雲的表面產生化學反應決定降雨量的多少影響大氣成分

6作用氣溶膠粒子能夠從兩方面影響天氣和氣候一方面可以將太陽光反XX到太空中從而冷卻大氣並會使大氣的能見度變壞,另一方面卻能通過微粒散XX漫XX和吸收一部分太陽輻XX減少地面長波輻XX的外逸使大氣升溫

7種類自然產生天然氣溶膠雲霧靄煙海鹽等

生物氣溶膠微粒中含有微生物或生物大分子等生物物質的稱為生物氣溶膠bioaerosol其中含有微生物的稱為微生物氣溶膠

人類產生工業化氣溶膠有殺蟲劑消毒劑和衛生消毒劑洗滌劑和清潔劑蠟油漆和髮膠

食用氣溶膠攪拌過的奶油

氣溶膠能夠引起丁達爾效應

氣溶膠中的粒子具有很多特有的動力性質光學性質電學性質比如布朗運動,光的折XX象彩虹,月暈之類都是因為光線穿過大氣層而引起的折XX現象.而大氣中含有很多的粒子這些粒子就行成了氣溶膠

氣溶膠在醫學,環境科學軍事學方面都有很大的應用.在醫學方面應用於治療呼吸道疾病的粉塵型葯的製備,因為粉塵型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利於疾病的治療環境科學方面比如用衛星檢測火災.在軍事方面比如煙霧彈之類還有可以製造氣溶膠煙霧來防禦激光武器

氣溶膠的容器內含有兩種物質--有待噴XX的液態物和保持壓力的壓縮氣體當撳下按鈕時閥門張開壓縮氣體將噴嘴裡的一些液態物壓出

歷史沿革

1926年挪威科學家埃里克·羅西姆首先想出了這個點子但其他一些科學家也同樣有此想法美國人朱利葉斯·S·可汗想出了一次性使用的金屬霧筒同樣來自美國的萊爾·達維·古德休則進一步研製了這一發明使它成為可以上市的商品1941年第一批氣溶膠開始銷售

氣溶膠廣泛應用於一系列消費品塗漆清潔劑擦光劑除臭劑香水剃鬚乳劑甚至摜奶油都廣泛地以氣溶膠方式銷售另外人們還證明它們在衛生保健上也是行之有效的可用來治療某些呼吸器官的疾病

但也發現了氣溶膠存在的一個問題用於壓縮氣體的化學藥品通常是含氯氟烴(即CFCs)已證明它是對地球大氣層上的臭氧層造成損害的一類物質

最流行的現代氣溶膠壓縮氣體是二氧化碳氣體它能在氣溶膠噴筒內生成像丙烷異丁烷這類氣體也可使用

濃度分佈氣溶膠的濃度可以用一定體積中微粒的總質量來表示基本單位是微克/米也可以用數密度即單位體積內的粒子數目來表示氣溶膠的分佈特性通常可用其粒子數目(n)粒子表面積(S)粒子的體積(V)或質量(m)按粒徑大小(D)的分佈來描述一般作dn/d lgDdS/d lgD和dV/d lgD對lgD的分佈圖,它們基本上呈正態分佈對於半徑(r)在0.1微米和10微米之間的粒子一般用容格(Junge)分佈來表示即 n(r)=Cr

式中v近似等於3,C是正比于粒子濃度的常數但是20世紀70年代以來有人提出三模態大氣氣溶膠的分佈(愛根核模積聚模和粗粒子模)圖中還示出它們的粒徑範圍主要質量源以及質量的輸入或去除的主要過程由此可見愛根核範圍的粒子是由高溫過程或化學過程產生的蒸汽凝結而成積聚作用範圍的粒子是由核模中的粒子凝聚或通過蒸汽凝結長大而形成80%以上的大氣硫酸鹽微粒屬於此模粗粒子則是由液滴蒸發機械粉碎等過程形成細粒子和粗粒子的分界線通常直徑為2微米左右從對人體呼吸道的危害看來,10微米以上的粒子常阻留在鼻腔和鼻咽喉部2~10微米的粒子大部分留在上呼吸道,而2微米以下的粒子隨著粒徑的減小在肺內滯留的比率增加0.1微米以下的粒子隨著粒徑的減小在支氣管內附著的比率增加半徑小於0.1微米的粒子,其數密度隨離地面高度的增加而減小這表明它們來源於地表但半徑0.1~1微米的粒子其數密度在對流層頂上部隨高度逐漸增加,並且在15~20公里附近出現極大值形成平流層內的氣溶膠層這層氣溶膠可能是火山噴出物氣體在平流層中經氧化成固體而形成的它雖然只佔大氣中氣溶膠總量的百分之幾但對於大氣的氣溫有重要的影響通過大氣遙感可探測氣溶膠粒子的平均譜分佈

化學組成氣溶膠的化學組成十分複雜它含有各種微量金屬無機氧化物硫酸鹽硝酸鹽和含氧有機化合物等由於來源不同形成過程也不同故其成分不一特別是城市大氣受污染源的影響氣溶膠的成分變動較大但是非城市大氣氣溶膠的成分比較穩定大體上與地區的土壤成分有關

大氣中二氧化硫轉化形成的硫酸鹽是氣溶膠的主要成分之一其轉化過程尚未完全明白已知二氧化硫可在均相條件下在氣相中或在水滴碳顆粒和有機物顆粒表面等多相條件下在液相或固相表面上轉化成三氧化硫再與水反應生成硫酸並和金屬氧化物的微塵反應而生成硫酸鹽硫是氣溶膠內最重要的元素其含量能反映污染物的全球性遷移傳輸和分佈的狀況見大氣微量氣體

氣溶膠中硝酸鹽和有機物的形成機制尚待研究氣溶膠中有銨離子(NH4+)存在能與硫酸根離子(SO42-)和硝酸根離子(NO3-)生成銨鹽至於氣溶膠中的有機物,更是許多種類有機物的複雜混合物其中包括稀烴烷烴芳烴多環芳烴醛酮酸醌酯以及有機氮化物和有機硫化物等

氣溶膠來源於土壤的各種元素如銪鈉鉀鋇銣鑭鈰硅釤鈦釷鋁等其含量在地區之間差別不大而來源於工業區的各種元素如氯鎢銀錳鎘鋅銻鎳砷鉻等就有較大的地區差別

氣溶膠是大氣中極其重要的組成部分它不僅直接影響人類的健康還能增加大氣的化學反應降低能見度增加降水成雲和成霧的可能性影響大氣輻XX收支導致環境溫度和植物生長速率的改變以及沾污材料對氣溶膠的研究無論對於大氣化學雲和降水物理學大氣光學大氣電學大氣輻XX學氣候學環境醫學或者生態學等學科來說都有重要意義但氣溶膠化學組成的研究僅是開始還有待於今后發展

製備方法

可分為分散法和凝聚法兩大類分散法是借助外力將固體或液體分裂成較小的部分又分為固體的機械磨碎法和液體噴霧法所得氣溶膠的分散程度往往不高凝聚法是將分散相物質先分裂成單個分子的物質(即成氣體或蒸氣狀的物質)然後再凝結成膠體大小的質點因此包含過飽和蒸氣的形成和過飽和蒸氣的凝聚兩個階段其關鍵是得到過飽和蒸氣這可以由蒸氣冷卻凝聚和化學反應來達到對每一種物質來說在一定的溫度下飽和蒸氣的最大濃度及其相應的飽和蒸氣壓都是一定的且隨溫度的降低而減小因此當蒸氣冷卻時過飽和蒸氣在凝結中心(或稱核心)產生凝聚形成氣溶膠質點凝結中心可以是塵粒其他的大氣核心離子和極性分子等但過飽和度相當高時蒸氣分子本身可凝結而無需核心利用化學反應可產生蒸氣壓小的物質達到過飽和就凝聚通常所制得的氣溶膠質點一般都是多分散的用氣溶膠發生器並控制反應條件可得到單分散的氣溶膠

8特性由於氣溶膠的分散介質是氣體氣體的粘度小分散相與分散介質的密度差很大質點相碰時極易粘結以及液體質點的揮發使氣溶膠有其獨特的規律性氣溶膠質點有相當大的比表面和表面能可以使一些在普通情況下相當緩慢的化學反應進行得非常迅速甚至可以引起爆炸如磨細的糖澱粉和煤等

氣溶膠質點能發生光的散XX這是使天空成為藍色太陽落山時成為紅色的原因在動力性質方面其布朗運動非常劇烈當質點小時具有擴散性質當質點大時由於與介質的密度差大沉降顯著因介質是氣體這些動力性質與氣體分子自由路程有關在電學性質方面氣溶膠粒子沒有擴散雙電層存在但可以帶電其電荷來源於與大氣中氣體離子的碰撞或與介質的摩擦所帶電荷量不等且隨時間變化質點既可帶正電也可帶負電說明其電性決定於外界條件在穩定性方面氣溶膠粒子沒有溶膠粒子那樣的溶劑化層和擴散雙電層相碰時即發生聚結生成大液滴(霧)或聚集體(煙)此過程進展極其迅速所以氣溶膠是極不穩定的膠體分散體系但由於布朗運動的存在也具有一定的相對穩定性

9應用氣溶膠在工業農業國防和其他方面都已得到廣泛的應用如加快燃燒速率和充分利用燃料噴霧乾燥可提高產品質量已廣泛用於醫藥工業與洗衣粉的生產農業上農藥的噴灑可提高藥效降低藥品的消耗利用氣溶膠進行人工降雨可大大改善旱情國防上用來製造信號彈和遮蔽煙幕

工業城市上空的煙霧和工廠礦井中的煙塵對人體健康危害極大(如硅肺)還有破壞大自然的酸雨以及易引起爆炸的粉塵都和氣溶膠有關

10全球變暖研究稱氣溶膠對全球變暖的冷卻效應很微弱一位挪威科學家表示他已經估測出了氣溶膠到底能對氣候產生多大影響

散布在大氣中的氣溶膠微粒對太陽光具有反XX效應進而可以遮蔽全球變暖的影響而這位挪威科學家的研究項目的目的是要綜合運用反應這種直接氣溶膠效應的各類模型和觀測結果以準確評估這一冷卻效應的作用

據英國廣播公司消息挪威國際氣候和環境研究中心的氣候科學家岡納·邁爾Gunnar Myhre在科學雜誌上報告說他的研究發現冷卻效應並不像此前研究預測的那麼強烈邁爾說這能清楚地表明到目前為止人類到底給氣候帶來了多大的改變他研究的污染微粒包括硫酸鹽等工業氣溶膠燃燒農業廢棄物所排放的硝酸鹽以及柴油發動機和其它燃燒形式所產生的黑碳煤煙氣溶膠排放的全球模型顯示溫室氣體造成的全球變暖有大約10%被它們氣溶膠的冷卻效應消除了參與該項研究的英國氣象局氣溶膠研究員吉姆·海伍德Jim Haywood解釋說但利用衛星手段探測到的大氣氣溶膠的含量卻表明冷卻效應消除了大約20%的全球變暖

邁爾協調了兩種方法最終得到了一個更為精確的評估數據冷卻效應接近10%這一結果比聯合國政府間氣候變化專家委員會(IPCC)此前所預測的要弱硫酸鹽和有機碳反XX太陽輻XX而黑碳在很大程度上卻會吸收太陽輻XX他解釋說模型考慮到了黑碳排放增幅多於其它兩種氣溶膠的情況但基於觀測的方法卻難以將其考慮在內因為我們只有針對當前狀況的觀測數據而且不是在人類活動開始之前的這將對以後的氣候預測產生影響海伍德說

不過氣溶膠對氣候的影響遠不止於此氣溶膠微粒會改變雲層增加大氣中液滴濃度從而增加雲量邁爾說這種間接氣溶膠效應引起的遮蔽或者冷卻作用仍然存在很多不確定海伍德對此表示同意氣溶膠對雲量的影響讓我們很傷腦筋他說這給我們的數據採集留下了一個大空白他和英國氣象局的同事已經開始研究是否可以利用氣溶膠來有意地遏制全球變暖

在最近的一項研究中他通過氣候模型來預測利用海鹽顆粒增加雲層的反照率這種故意使雲層變亮的手段將對全球氣溫產生什麼樣的影響研究小組發現全球變暖將被延緩多達25年但他們同時發現這種方法也會帶來很多不利影響研究人員說其中最嚴重的後果就是南美地區的降雨量將大幅減少這很可能會加速亞馬遜雨林的枯萎給這一世界主要碳匯造成損失採用這種方法你必須非常謹慎地選擇雲層海伍德說邁爾指出同溫室氣體相比氣溶膠對氣候的影響最終將變得無足輕重

氣溶膠的壽命很短而溫室氣體的壽命卻很長二氧化碳可以存在100多年他說在將來溫室氣體才是全球變暖真正的大問題它們的影響將越來越重要

11最新研究進展氣溶膠產生過程

據一項研究報告在芬蘭Hyytiälä北方森林中的實地研究及在實驗室中的試驗揭示了氣體分子是如何形成大氣氣溶膠的這些發現可能就新氣溶膠形成對大氣氣溶膠預算的作用及其對氣候的影響有所啟示

大多數的氣溶膠它們是來自火山塵埃污染物及其它來源的極小的在空氣中傳播的顆粒是從它們本身的環境中產生的而不是從陸地海洋或太空被完整直接地運輸過來的這些氣溶膠來自一種增長過程它開始時為大氣中的分子及分子簇它的尺寸隨著其獲取其它分子分子簇和顆粒而變得越來越大

在二十世紀90年代科學家們已經發現了大氣顆粒形成機制的線索但在那時要知道其確切的機制是不可能的因為他們沒有足夠的能力來檢測微小顆粒以觀察這一過程的肇始

Markku Kulmala及其同事研發了敏感的新技術使得人們能夠檢測並對這些細小的起源物進行計數從而使人們能夠詳細地勾勒出氣溶膠形成的過程研究人員發現氣溶膠形成的起始步驟是以直徑小於2納米的集簇物開始而硫酸及有機分子是顆粒增長過程的關鍵成分研究人員發現硫酸和像碳這樣的有機分子會連接在一起形成一種關鍵性的集簇物它會增長成為一個氣溶膠顆粒集簇物足夠穩定的積聚以實現持續增長是氣溶膠形成的關鍵

理解氣溶膠是如何形成的對了解這些顆粒對氣候變化的影響是至關重要的[1]

12研究單位北京大學

南開大學

南京大學

南京信息工程大學

蘭州大學

吉林大學

清華大學

中科院大氣物理研究所

中科院城市環境研究所

中國環境科學研究院等科研院所