基于热挥发性的气溶胶化学组分分离和光学性质测量

Aerosol particles can directly impact the visibility of atmosphere and global climate by scattering and absorbing solar radiation. The optical properties of aerosol closely relate to its chemical composition and mixing state. Precise measurements of the chemical and optical properties of aerosol and sorting the relationship between them have been hot spots in the field of atmospheric science. This project will use thermal-denuder to segregate the chemical components of aerosol based on the thermal-volatility. Chemical and optical properties of aerosol are monitored before and after heating by using online techniques including aerosol time-of-flight mass spectrometer, monitor for aerosols and gases in ambient air, cavity ring-down spectrometer and nephelometer. The proposed research work will do qualitative and partly quantitative studies on the impacts of chemical composition and mixing state on the aerosol optical properties and provide basic understanding on aerosol's impacts on solar radiation, visibility, and regional climate in the urban area in China.

气溶胶颗粒通过散射和吸收太阳辐射对大气能见度和全球气候产生直接影响。气溶胶的光学性质与其化学组分和混合状态密切相关。准确测量气溶胶的化学组分和光学性质并厘清两者之间的关系是大气科学领域的研究热点。本项目拟采用热解析技术，对不同热挥发性的气溶胶化学组分进行在线分离，并结合先进的在线气溶胶化学和光学测量技术如：气溶胶飞行时间质谱仪、在线气溶胶及气体组分分析仪、光腔衰荡光谱仪和浊度仪等对组分分离前后的气溶胶颗粒的化学组成和光学性质的变化进行分析。研究工作将实现定性和部分定量地研究气溶胶中不同化学组对混合态颗粒物的光学性质的影响，精确构建化学与光学性质间的对应关系。研究结果将为气溶胶对中国城市地区太阳辐射、能见度及区域气候的影响等方面的研究提供新数据。

本研究基于热解析仪对颗粒物中不同挥发性的化学组分的分离，结合气溶胶单颗粒质谱、单颗粒黑碳光度计、气溶胶吸光与散射分析等技术，研究气溶胶光学性质与其化学、微观物理之间的关联。对于上海的大气颗粒物，当加热到250°C时，1.0-2.0μm的颗粒物其组成主要是生物质燃烧颗粒物、矿尘和富金属颗粒物，0.2-1.0μm的颗粒物主要是生物质燃烧颗粒物和元素碳颗粒物。为此我们对元素碳颗粒物和生物质燃烧颗粒物进行了深入的研究。.元素碳因其强吸光性又称为黑碳，我们发现上海重度污染天气下，内混态黑碳气溶胶的粒径呈现双模态分布——凝结模态（~230nm）和液滴模态（~380nm）。凝结模态主要是交通排放的含黑碳颗粒物，呈现小核（60-80nm）薄包覆（50-130nm）形态。液滴模态包括生物质燃烧产生的和老化的交通排放的含黑碳颗粒物，前者呈现大核（80-130nm）厚包覆（110-300nm）形态，后者呈现了特殊的小核（60-80nm）厚包覆（130-300nm）形态。这类小核厚包覆的含黑碳颗粒物主要是由高浓度NO2环境下快递老化过程产生，其生长速度达到20nm/h。.农业秸秆燃烧是中国生物质燃烧颗粒物的主要来源，我们在实验室模拟燃烧水稻秸秆，产生新鲜生物质燃烧颗粒物，对其中50-400nm的颗粒物进行分析。结果发现50nm的颗粒物具有最小的有效密度（1.16g/cm3）和最低的单次散射反照率，因为该粒径范围的主要成分为积聚状态的黑碳。粒径越大，颗粒物的混合态更复杂。颗粒物经过加热后，有效密度分布发生分离现象，证实了黑碳、钾盐和一些不易挥发有机物的存在。各粒径的颗粒物都具有大于1.6的Ångström吸收指数，意味着吸光性有机物（棕碳）的存在。通过对颗粒物加热前后的光学测量，计算了吸光增强系数，发现粒径越大，吸光增强越明显，说明大粒径颗粒物有更厚的包裹层。颗粒物的吸收增强又与波长有关，再次证明了棕碳的存在。此外，结合外场实验与实验室实验，我们发现秸秆燃烧颗粒物在加热200°C以上其单颗粒质谱中会有相对峰面积>0.21的[CN−]，暗示存在着极低挥发性的含氮有机物，以此为标识物，是一种简便的筛选生物质燃烧颗粒物的有效方法。