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大氣氣溶膠表面張力測量新方法
來(lái)源： 生態(tài)環(huán)境科學(xué) 瀏覽 85 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-04
大氣氣溶膠作為云凝結核，通過(guò)與云的相互作用對氣候產(chǎn)生影響。氣溶膠活化為云滴，除了取決于氣溶膠的粒徑大小、化學(xué)成分和混合狀態(tài)，更進(jìn)一步地，與氣溶膠的表面張力息息相關(guān)。大氣氣溶膠和云滴中廣泛存在著(zhù)具有表面活性的有機物，它們可以減小氣溶膠活化時(shí)的表面張力，降低粒子增長(cháng)的能量壁壘，使氣溶膠更容易被活化為云滴，從而增加云滴數濃度。本次研究結果表明：有機物顯著(zhù)降低了污染大氣中氣溶膠的表面張力。
氣溶膠是指懸浮在氣體中的固體或液體微小顆粒所構成的氣態(tài)分散體系。這些微小顆粒的來(lái)源廣泛，包括自然源和人為源。在城市環(huán)境中，機動(dòng)車(chē)尾氣、工業(yè)排放、建筑揚塵等都是氣溶膠的重要來(lái)源。氣溶膠的表面張力，則是指氣溶膠顆粒表面層分子間相互作用的力，它決定了氣溶膠顆粒的穩定性、分散性和反應性。
有機物作為城市大氣中的重要組成部分，對氣溶膠表面張力具有顯著(zhù)的影響。研究表明，一些具有表面活性的有機物能夠吸附在氣溶膠顆粒表面，形成一層有機膜，從而改變氣溶膠顆粒的表面性質(zhì)。這層有機膜能夠降低氣溶膠顆粒的表面張力，使其更易于分散在大氣中，同時(shí)也增加了氣溶膠顆粒與其他物質(zhì)的反應活性。
然而，目前表面張力的測定主要局限于實(shí)驗室直接測量法和熱力學(xué)、統計或經(jīng)驗模型計算法，針對的是特定粒徑大小和已知化學(xué)成分的氣溶膠粒子。外場(chǎng)試驗中氣溶膠表面張力的測量不屬于常規觀(guān)測項目，因此環(huán)境大氣中有機物對表面張力的貢獻沒(méi)有得到很好的量化。在本研究中，我們提出了一種將外場(chǎng)觀(guān)測與κ-K?hler理論相結合的方法來(lái)推導表面張力。利用云凝結核活化和吸濕增長(cháng)因子的外場(chǎng)觀(guān)測數據，我們推導了不同活化粒徑的氣溶膠表面張力。該方法不需要對表面張力直接測量，同時(shí)保留了與直接測量相當的測量誤差。同時(shí)，該方法也不需要預先知道氣溶膠的化學(xué)成分。
基于這種方法，我們計算了中國北京市2016年冬季外場(chǎng)觀(guān)測試驗中采集的城市氣溶膠的表面張力。結果表明，有機物顯著(zhù)降低了污染大氣中氣溶膠的表面張力?；罨闪郊s為40 nm的粒子平均表面張力為53.8 mN m-1，遠低于純水的表面張力（72.0 mN m-1），而粒徑達到100 nm的粒子顯示出接近純水的表面張力值（圖1）。
我們進(jìn)一步比較了這次外場(chǎng)觀(guān)測中，城市氣溶膠所含有機物與各類(lèi)已知化學(xué)成分的有機物造成的表面張力降低與有機物濃度的依賴(lài)關(guān)系，即Szyszkowski-Langmuir（S-L）曲線(xiàn)。結果表明，城市氣溶膠中隨表面活性有機物濃度增加導致表面張力降低的程度最接近二羧酸的依賴(lài)曲線(xiàn)。二羧酸在城市大氣氣溶膠中含量豐富，來(lái)源為人為源和生物源揮發(fā)性有機物的氧化降解，依此推測二羧酸在降低城市氣溶膠表面張力方面起著(zhù)關(guān)鍵作用（圖2）。
研究進(jìn)一步表明，忽略表面張力降低效應將導致在云中典型過(guò)飽和度范圍內（0.23%-0.76%）超細云凝結核（直徑<100 nm）的數濃度降低6.8%-42.1%。綜上所述，本研究提供了有機物降低城市氣溶膠表面張力的新證據，表面張力的降低將增加云凝結核的數量，從而影響云和氣候（圖3）。
云凝結核活化和吸濕增長(cháng)因子的外場(chǎng)觀(guān)測在全球均有開(kāi)展，我們的方法可以應用于這些外場(chǎng)觀(guān)測數據以推測各種真實(shí)大氣環(huán)境下氣溶膠粒子的表面張力。需要注意的是，該方法需要在一定的前提下使用。該方法假設了吸收增長(cháng)因子在氣溶膠吸收水分的過(guò)程中變化很小，因此表面張力的變化是影響氣溶膠活化的主導因素。本次外場(chǎng)觀(guān)測中未飽和情況下的吸濕增長(cháng)因子（）與飽和情況下的吸濕增長(cháng)因子（）比較接近，因此可以用推測表面張力。然而，吸濕增長(cháng)因子隨相對濕度增加可能會(huì )發(fā)生變化，原因包括溶液的非理想性、二次有機氣溶膠的逐漸溶解、表面活性有機物的表體分配等。要全面考慮這些因素的影響，我們必須依賴(lài)具有表面張力和吸濕增長(cháng)因子同步變化的熱力學(xué)模型進(jìn)行更深入的探討。
同時(shí)，為了應對有機物降低氣溶膠表面張力帶來(lái)的挑戰，我們需要采取一系列有效的措施。首先，加強大氣污染源的控制和治理，減少機動(dòng)車(chē)尾氣、工業(yè)排放等有機物的排放。其次，開(kāi)展針對氣溶膠表面張力的研究，深入了解其影響因素和機制，為環(huán)境管理和政策制定提供科學(xué)依據。此外，加強公眾的環(huán)保意識和參與度，推動(dòng)形成全社會(huì )共同參與、共同治理的環(huán)境保護格局。