[科普中国]-大气浑浊度

简介

大气浑浊度是表征悬浮在大气中各种固态质粒、液态小滴对太阳直接辐射削弱的特征量, 其大小可以表示大气气挤胶的一些特性。1

大气浑浊度是表示大气中气溶胶含量的大气光学参数，常用来检测空气污染的状况，实际上空气污染给人们最直接的印象就是空气变得浑浊不清，能见度大大降低，吸入困难等。随着工业化的进程，大气环境污染越来越严重，特别是近几十年来，人们燃烧产生的烟雾及土地开垦引起风浊等原因，大气中的粗粒物质(气溶胶)迅速增加，影响了人们生活环境的同时，也会影响地球地气系统的反射率，改变了大气辐射的收支情况，就可能会引起全球性的气候变化，因此近些年来受到了各个国家的关注。

大气浑浊度T的定义有两种：①铅直气柱中气溶胶的光学厚度；②铅直气柱中实测气溶胶与分子消光的总光学厚度τ与分子消光的光学厚度之比，即T=τ/τm，林克浑浊因子（F.Linke于1922年提出）即属此范畴。如要使太阳辐射在分子大气中的消光与实际大气中的总消光相等，则分子大气质量必须增大L倍，这里L 就为林克浑浊因子。铅直气柱中气溶胶含量越大，大气浑浊度也越大。

影响因子大气浑浊度是表示大气中气溶胶含量( 不包括云雾粒子) 的大气光学参数, 常用来监测空气污染的状况。由于大气气溶胶的增加影响到地气系统的热平衡, 有可能影响到全球长期的气候状况, 因此近年来受到各国的关注。2

大气气溶胶是指大气与悬浮在空气中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，其粒子的直径一般是在0.001um到10um范围之间。有些气溶胶粒子对于人类是有害的，例如有毒化合物气溶胶，它包括致癌物质多环芳香烃、甲醛等。经专家长期的研究表明，l0um以下的微粒可以被吸进入鼻腔，7um以下的微粒可以进入咽喉，而小于2.5um的微粒则可以直接被吸入人体肺部，深入肺泡并沉积在其中，进而进入人体血液的循环系统，能够对人们的健康造成很大的致命伤害。近几十年以来，呼吸系统疾病的增多、很多人体肺部功能的下降、逐年增加的死亡率、癌症尤其是肺癌的高发率与空气中气溶胶粒子浓度的含量上升存在着密不可分的关联，这些气溶胶粒子不仅严重影响及危害了人们的身体健康而且也致使了环境状况的日益恶化。

人类日常生活及生产活动向大气中排放大量气溶胶粒子包括有硫酸盐、硝酸盐氯化物、少量的有机酸等化学物质及部分煤炭粉尘微粒，它们是都是形成酸雨的重要原因川。

1999年，有6200万美国人居住区域的空气中山于至少含有六种主要的污染物之一而对健康不利;1952年12月，在英国伦敦发生的烟雾事件，在6天内就造成大约4000人死亡，并且历年多次发生，死亡人数近万，其主要原因就是大气中的氧化铁和二氧化硫粉尘含量的严重超标，导致了硫酸的形成。3

特征（1）大气浑浊度随时间和地理位置而变化。一般夏季高于冬季，下午高于上午，并在夏季中午前后达最大值，冬季日变化较小。

（2）在北半球，从高纬度地区向赤道，大气浑浊度可增加约1～2倍，冬季增加的幅度最大，这和湿度增大以及气溶胶消光效应增强有关。其变化规律对于研究大气气溶胶的分布和输送、垦荒的气候效应、大气污染及全球辐射平衡过程都有一定价值。

（3）能表征悬浮在大气中各种固态质粒、液态小滴对太阳直接辐射削弱的特征量。
（4）高的大气浑浊度不仅严重影响及危害了人们的身体健康而且也致使了环境状况的日益恶化。

大气浑浊度的检测气溶胶浊度的检测不仅在人们日常生活中能够起到重要的作用，在环境保护及安全生产中也具有十分重要的意义。近十几年来，山于相关科学技术的深入发展，气溶胶浊度或微小粒子的测量手段及技术己经得到了较好较快的发展，并且已经发展为一种独特的科学研究方向。目前，很多基于激光检测的气溶胶浊度的检测装置或仪器己经被研究及生产出来，在各个领域发挥着重要的作用。

检测方法经过国内外有关领域的专家学者们的多年研究及开发，生产及开发出来多种测量气溶胶的方式或方法，而气溶胶浊度的表示方法也不尽相同，但总体上大致可分为以下:取样法及非取样法。

1、取样法

取样法就是从待测气溶胶气体中抽取一部分具有代表性的含气溶胶粒子的样品，传统的取样测量即滤膜称重法，利用现有的各种微粒粒度分析仪对所过滤或分离的样品进行粒度分析，送入相关检测或测量仪器来得到待测气溶胶的浊度。而被过滤下来的样品也具有一定的作用，利用各种粒度测量及其他相应的检测分析装置一起进行分析，可进一步得到粒子的平均粒径、粒径分布及相应的物理特性及化学成分组成等。

从原理上说，取样法无疑是最简单且容易操作的，利用取样法可以得到较可靠的测量结果，所以在一些国家它一直被沿用至今，一直以来都被看作为测量的标准方法。

（1）β射线法采用卢射线作为信号的友射拣，它足一种非称重法，其测量原理为:当β射线穿过气溶胶微粒时，由于介质的阻碍作用，刀射线会在原来的基础上发生一定程度的衰减，通过测量刀射线穿过介质气体后的衰减程度，可以得到待测气溶胶气体对应的浑浊度。

利用β射线测量气溶胶粒子浓度所得到的结果，一定程度上决定于气溶胶的化学成分和分散度组成。一种山德国学者研制成功的测量仪原理为:气溶胶气体通过滤膜时，由于滤膜的阻碍作用，气体分子可以顺利通过滤膜，而粒径较大的气溶胶粒子则被过滤在滤膜上，一段时间以后，装置带动滤膜移动并使被过滤的气体样本进入测量室，射线经发射源射出后，经过被测介质衰减并被介质吸收，根据射线衰减的程度可以确定样品的相应质量，进而得到待测气体的浊度。β射线法测量浊度的仪器中使用了发射性同位素，需要对粉尘进行过滤后再检测，且测量结构较复杂，操作较复杂繁琐。

（2）压电振动法是另一种使用较多的非称重法。由于压电材料在不同质量情况下，其受迫振动频率不同，压电振动法就是利用这一特性而研制出来的。利用压电材料在附上气溶胶介质后质量改变而引起压电振动频率改变来测量气体浊度。德国柏林工业大学学者发明了一种利用压电振动法测量气溶胶浊度的测量装置，它在结构上与刀射线法检测装置有些类似，当待测气体通过过滤带时，粒子无法通过过滤带，会被过滤在过滤带上，从而会一导致山压电材料制成的带子的质量发生变化，相应的就会引起压电振动频率的改变，进而能够得出对应的气溶胶浊度。与刀射线法一样，压电振动法也需要取样过程。

（3）取样法具有下列优点:

取样法测量原理较简单，在使用情况良好的条件下能够得到较可靠的测量结果;取样法除了能测量绝对浓度及粒径大小外，山于在检测过程中取得了气溶胶粒子的样品，对此还可以进一步分析粒子的物理特性及化学成分，对保护自然环境及保障人们生产生活的安全具有十分重要的意义。

（4）取样法的缺点:

①操作要求较高，在无法保证等速采样的条件下，会给测量结果带来很大的误差和影响，而即使满足了等速采样的测量条件，待测气体在传输过程也会发生损失，这是系统设计过程中无法避免的，从而导致测得量结果不准确;

②测量时间太长，无法实现在线实时监测;

③取样法为点测量，要获得整个待测气体的平均值，不可只取气体中的某一部分进行检测，必须在经过多点测量后做平均算法，得到测量的平均值，这无疑增加了作业的工作量;

④管道中的气体会具有一定的流速及压力，有时还具有较高的温度和湿度，在高湿度及高温度条件下测量及采样要复杂很多。

2、非取样法

非取样法就是测量时无需取样，测量原理较取样法复杂很多，它是利用微粒的物理、光学特性直接测量气体的气溶胶浊度，包括黑度法和光学测量法。

（1）黑度法

黑度法主要是用在测量煤烟气溶胶的浊度上，黑度法是法国科学家林格曼在一{一九世纪末提出来的，故也可称之为林格曼法，黑度法测量结果会受到很多人为因素及环境方面等因素的影响，并且很难用于在线监测。

（2）光学测量法

光学测量法包括光散射法及光透射法。

光散射法是目前国内外应用较为广泛的一种测量气溶胶浊度的方法。通过测量气溶胶颗粒经光照后所散射出的光信号强度来测量待测气溶胶的浊度，待测气体浊度越高，散射光强越强。设计者根据瑞利散射理论及Mie散射理论能够设计出相应的光学测试仪，利用这一原理制成的测试仪，在待测气溶胶浓度较低时具有良好的测量效果。

光透射法是利用光线通过待测量介质时，山于待测颗粒的吸收及散射作用，使输出光强发生衰减的原理来测量气溶胶浊度的。光透射法区别于光散射法的地方在于前者是测量透射光，而后者是测量散射光。光学测量法在测量过程中能够实现完全自动化，不需要经过采样就可进行测量，保证了测量的实时性及可靠性，不仅能提高测量效率，同时也节省了大量的人力物力。根据光吸收现象设计出的透射法光学测量仪，一般用于待测浓度较高的场合。

3、取样法和非取样法的比较

非取样法相比于取样法最大的优点就是能够实现在线测量，能够在线实现气溶胶浊度的检测，只有实现了在线测量，才能满足日趋严格的空气质量标准监测要求，通过网络将各监测点在线数据传送至监控分析中心，实现环保监测的在线化及网络化。特过网络将各监测点在线数据传送至监控分析中心，实现环保监测的在线化及网络化。特别在一些工业场合，在线测量能够极大程度上减轻工)一‘山于烟尘气溶胶浊度过高而引起的灾害，对人民的生产生活提供了极大的保障。但非取样法也同样存在一些缺点，例如当待测气溶胶的分散度和其他性质发生变化时，会对测量结果造成一定的影响，在实际测量中，也需要标定后才能使用。

山上述可见，为了对地质、化工等工业企业中的烟尘气溶胶实现检测，最好的方法就是非取样法，它具有测量周期短，自动化程度高，测量精度高等优点。它能够提供实时的气溶胶浓度监测数据，一旦检测数据高于预设值，可以设定发出警报，关闭生产机器设备等措施，从而能够达到保护人民生产安全及保护现场设备的作用。

检测的重要性在很多场合，大气气溶胶的浊度检测都可以发挥相当重要的作用。

（1）通过对企业排放气体的浓度检测，能有效的降低工业粉尘的无处理排放，提高空气质量。

例如，铁合金行业工业废气中颗粒物，粉尘粒径的范围一般在0. 1um到50um之间，其中直径在0. 5um至5um的粉尘对人体危害最为明显，以2008年全国第一次污染源普查产排污系数核算项目为契机，研究调查组通过调查与测试发现，因为我国铁合金行业发展的不均衡，各企业在装备水平、管理能力、环境保护投入等方面相差较大，特别是许多中小企业在日常生产时，无组织排放现象非常的严重，企业对无组织排放处理措施不到位，大量的工业粉尘未经过处理被直接排放进入大气，这极大的影响了人们的日常生产和生活。相关环保部门可以通过对企业排放气体的浓度检测，能有效的降低工业粉尘的无处理排放，提高空气质量。

（2）煤炭粉尘是一种危害性很大的粉尘，不仅会诱发尘肺病，在遇到明火时也是导致矿井爆炸的重要原因，通过检查可以有效的防治其带来的危害。

另一方面，我国是一个产煤大国，拥有极其丰富的煤炭资源，在总能源的消费构成中，煤炭的含量约在75%，山于目前国内科技水平的落后，风能及核能等这些环保型资源还未得到全面的推广和使用，且这一状况在未来一段时间内不会发生太大的变化。矿井下的各个作业点在作业过程中，会产生大量的煤炭粉尘，煤炭粉尘是一种危害性很大的粉尘，不仅会诱发尘肺病，在遇到明火时也是导致矿井爆炸的重要原因。要保证煤炭企业井下安全及有效的生产，采取有效的防治及检查措施是一项重要课题，井下各个作业点的粉尘气溶胶浊度的监测，就是正确评估粉尘防治措施的重要手段。3

大气浑浊度的变化火山爆发的影响（1）六十年代赤道地区四次火山爆发, 特别是阿贡火山大爆发导致我国各地六十年代中期大气浑浊系数的普遍增加, 在秋冬季尤甚。

（2）北方各站较多地受到阿贡火山爆发的影响, 秋冬季节浑浊系数的最大值出现在1 9 6 3一19 6 5 年; 南方各站较多地受到费尔南济那火山等几个较小爆发的影响, 秋冬季节浑浊系数的极大值出现在19 6 8 年和19 6 5 一1 9 6 6 年. 到六十年代末期, 当北方各站大气透明度已恢复到最佳水平时, 南方各站仍维持比阿贡火山爆发前为高的浑浊度, 说明平流层气溶胶传播的纬度效应。

（3）由于平流层气溶胶浓度反常, 各地的最大浑浊月份跟正常年份相比可能有位移. 例如, 在火山活动年代, 哈尔滨的最大浑浊常出现在2 一斗月, 北京在3 一5 月.二连、南京、广州位移少, 但二连1 9 6 斗与19 6 5 两年7、8 月次极大值的显著退缩与19 6 3 年这个次极大值的显著增长为最大值, 都跟平流层气溶胶变化有很大关系.南京1 9 6 6 年3 月和广州1 9 6 8 年9 月这两个位移了的极大值, 都明显地跟火山活动有关。4

青藏高原地区（1）青藏高原地区大气浑浊度系数的日变化过程中, 冬夏两季日变幅较小, 分别是0.0 20 和0.0 3 很。冬季的变化略呈“ v” 型, 早晚大, 中午小; 夏季变化分两种类型; 受人类活动影响较大的高原中部地区变化呈双峰型, 上午和下午各有一次高峰值。其余地区为单峰型。高原东部大气浑伙度系数较西部大. 但变化比较稳定。高原西部早晚小, 中午较大。

（2）青藏高原地区大气浑浊系数的季节性变化也很明显, 春季最大, 秋季次之, 夏秋两季数值较小。

（3）青藏高原主体地区大气浑浊度系数偏小, 一般小于0.1 0, 说明高原地区空气洁净。人类活动集中地区阵较大, 沙漠或荒漠地区日也大。1