2023年11月12日發(作者：春天祝福語)氣溶膠
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氣溶膠，又稱氣膠、煙霧質，是指固體或液體微粒穩定地懸浮于氣體介質中形成的分散體系。一般大小在0.01-10微米之間，可分為自然和人類產生兩種。氣溶膠會影響氣候，包括吸收輻射或散射輻射，另外，氣溶膠會成為凝結核而影響云的性質等。天空中的云、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，采礦、采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。氣溶膠的消除，主要靠大氣的降水、小粒子間的碰并、凝聚、聚合和沉降過程。
中文名t氣溶膠
大 小t0.001～100微米
外文名taerosol
作 用t從兩方面影響天氣和氣候
目
錄
?1基本介紹
?2溶膠分類
?自然產生的氣溶膠
?人造氣溶膠
?研究歷史
?濃度分布
?3溶膠粒度
?4化學組成
?5制備方法
?6特性體現
?7相關應用
?8產生影響
?對環境和生物的影響
?對天氣及氣候的影響
?對全球變暖的影響
?不良影響及危害
?9研究進展
?10研究單位
1基本介紹
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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）、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環，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。
霾是大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見度小于10公里的空氣普遍混濁現象，這里的干塵粒指的是干氣溶膠粒子。一般情況下，當能見度在1~10公里時可能既有干氣溶膠的影響（即霾的影響），也可能有水滴的貢獻（即輕霧的貢獻），且不易區分，所以就被稱為“霧-霾”現象。由于在實際的大氣中沒有氣溶膠粒子作為云霧的凝結核（或冰核），無法形成霧，所以霧和霾的背后都與氣溶膠粒子有關。
2溶膠分類
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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進入大氣）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。
自然產生的氣溶膠
1、大氣氣溶膠
大氣氣溶膠又稱顆粒物，是液態或固態微粒在空氣中的懸浮體系，能作為水滴和冰晶的凝結核（見大氣凝結核、大氣冰核）、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環，是大氣的重要組成部分。霧、煙、霾、輕霧、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。
2、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。
人造氣溶膠
1、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、油漆和發膠。
2、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,光的折射，象彩虹,月暈之類都是因為光線穿過大氣層而引起的折射現象.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。在醫學方面應用于治療呼吸道疾病的粉塵型藥的制備，因為粉塵型藥粉更能夠被呼吸道吸附而有利于疾病的治療。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，還有可以制造氣溶膠煙霧來防御激光武器。
氣溶膠的容器內含有兩種物質--有待噴射的液態物和保持壓力的壓縮氣體。當撳下按鈕時，閥門張開，壓縮氣體將噴嘴里的一些液態物壓出。
研究歷史
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·古德休則進一步研制了這一發明，使它成為可以上市的商品。1941年，第一批氣溶膠開始銷售。
氣溶膠廣泛應用于一系列消費品。涂漆、清潔劑、擦光劑、除臭劑、香水、剃須乳劑，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。用于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。
濃度分布
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。氣溶膠的分布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)的分布來描述，一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD對lgD的分布圖，它們基本上呈正態分布。對于半徑(r)在0.1微米和10微米之間的粒子，一般用容格（Junge）分布來表示，即： n(r)=Cr
式中v近似等于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布（愛根核模、積聚模和粗粒子模）。圖中還示出它們的粒徑范圍、主要質量源以及質量的輸入或去除的主要過程。由此可見，愛根核范圍的粒子是由高溫過程或化學過程產生的蒸汽
凝結而成；積聚作用范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于此模；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。半徑小于0.1微米的粒子，其數密度隨離地面高度的增加而減小，這表明它們來源于地表；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，并且在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。它雖然只占大氣中氣溶膠總量的百分之幾，但對于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布。
3溶膠粒度
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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。
氣溶膠成品一般說來，半徑小于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破裂等機械過程所形成。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 10.3～102微米。粒徑在10-1～101微米的氣溶膠在大氣光學、大氣輻射、大氣化學、大氣污染和云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。
氣溶膠的消除，主要靠大氣的降水、小粒子間的碰并、凝聚、聚合和沉降過程。
比較合理的原則是照顧到分散相的特點和制備條件，常將氣溶膠分成三大類：①霧，指液體粒子的凝聚性氣溶膠和分散性氣溶膠；②塵，指固態粒子的分散性氣溶膠；③煙，指固態粒子的凝聚性氣溶膠。
4化學組成
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氣溶膠的化學組成十分復雜，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。由于來源不同，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，并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、傳輸和分布的狀況。
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(NH嬃)存在,能與硫酸根離子(SO娺-)和硝酸根離子(NO婣)生成銨鹽。至于氣溶膠中的有機物,更是許多種類有機物的復雜混合物，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。
氣溶膠來源于土壤的各種元素（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；而來源于工業區的各種元素（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、成云和成霧的可能性，影響大氣輻射收支，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，無論對于大氣化學、云和降水物理學、大氣光學、大氣電學、大氣輻射學、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，還有待于今后發展。
5制備方法
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氣溶膠儀器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)，然后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，用氣溶膠發生器并控制反應條件可得到單分散的氣溶膠。
6特性體現
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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，屬于粗分散物系。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粒，有的來源于自然界，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：有的是由于人類活動，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?？諝庵械臍馊苣z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。
氣溶膠粒子具有分布不均勻、變化尺度小、復雜性的特點，多集中于大氣的底層，對云的凝結核、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云的存在時間，能夠在云的表面產生化學反應，決定降雨量的多少，影響大氣成分。
由于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、淀粉和煤等。氣溶膠質點能發生光的散射，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，由于與介質的密度差大，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，其電荷來源于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，說明其電性決定于外界條件。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，但由于布朗運動的存在，也具有一定的相對穩定性。
7相關應用
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1926年，挪威科學家埃里克·羅西姆首先提出制造氣溶膠的設想。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·古德休則進一步研制了這一發明，使它成為可以上市的商品。1941年，第一批人造氣溶膠開始銷售?，F代最流行的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。
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。噴霧干燥可提高產品質量，已廣泛用于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，用來制造信號彈和遮蔽煙幕。
8產生影響
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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射效應，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》雜志上報告說，他的研究發現冷卻效應并不像此前研究預測的那么強烈。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）?！皻馊苣z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）?！?br>
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?！傲蛩猁}和有機碳反射太陽輻射，而黑碳在很大程度上卻會吸收太陽輻射?！彼忉屨f?！澳Ｐ涂紤]到了黑碳（排放）增幅多于其它兩種氣溶膠的情況。但基于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。這將對以后的氣候預測產生影響?！焙Ｎ榈抡f。
不過，氣溶膠對氣候的影響遠不止于此。氣溶膠微粒會改變云層，增加大氣中液滴濃度，從而增加云量。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?！皻馊苣z對云量的影響讓我們很傷腦筋，”他說，“這給我們的數據采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。
在一項研究中，他通過氣候模型來預測，利用海鹽顆粒增加云層的反照率這種故意使云層變亮的手段將對全球氣溫產生什么樣的影響。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，其中最嚴重的后果就是，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?！安捎眠@種方法，你必須非常謹慎地選擇云層。”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?！?br>
對環境和生物的影響
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、成云和成霧的可能性，影響大氣輻射收支，導致環境溫度和植物生長速率的改變以及沾污材料。
對天氣及氣候的影響
大氣氣溶膠粒子多集中于大氣的底層，對云的凝結核、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云的存在時間，能夠在云的表面產生化學反應，決定降雨量的多少，影響大氣成分。
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射到太空中，從而冷卻大氣，并會使大氣的能見度變壞另一方面卻能通過微粒散射、漫射和吸收一部分太陽輻射，減少地面長波輻射的外逸，使大氣升溫。
對全球變暖的影響
沙塵氣溶膠是大氣氣溶膠重要的組成部分。全球氣溫上升的幅度一直遠低于科學家根據二氧化碳濃度上升所預測的溫度值，因此有科學家認為，地球系統可能存在著極其復雜的反饋機制，沙塵暴可能是地球全球變暖“制冷劑”。沙塵氣溶膠通過三種途徑對地球環境產生重要影響：
（1）、阻擋太陽輻射進入地球表面，也就是所謂的“陽傘效應”。
（2）、沙塵粒子還可以作為云凝結核，影響云的形成、輻射特性和降水，產生間接的氣候效應，被稱為“冰核效應”。
（3）、“鐵肥料效應”，即“鐵假說”，在海洋中增加鐵可使浮游生物增加，并消耗大量的二氧化碳，使大氣中的二氧化碳濃度降低，進而降低全球的溫度，而鐵則來源于大陸的沙塵。
不良影響及危害
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。
用于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。
9研究進展
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氣溶膠產生過程
據一項研究報告，在芬蘭Hyyti?l?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，使得人們能夠檢測并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于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。
