高田真希:气溶胶

气溶胶，又称气胶、烟雾质，是指固体或液体微粒稳定地悬浮于气体介质中形成的分散体系。一般大小在0.01～10微米之间，可分为自然和人类产生两种。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。
气溶胶会影响气候，包括吸收辐射或散射辐射，另外，气溶胶会成为凝结核而影响云的性质等。雾、烟、霾、轻雾(霭)、微尘和烟雾等，都是天然的或人为的原因造成的大气气溶胶。
气溶胶按其来源可分为一次气溶胶（以微粒形式直接从发生源进入大气）和二次气溶胶（在大气中由一次污染物转化而生成）两种。它们可以来自被风扬起的细灰和微尘、海水溅沫蒸发而成的盐粒、火山爆发的散落物以及森林燃烧的烟尘等天然源，也可以来自化石和非化石燃料的燃烧、交通运输以及各种工业排放的烟尘等人为源。一般说来，半径小于1微米的粒子，大都是由气体到微粒的成核、凝结、凝聚等过程所生成；而较大的粒子，则是由固体和液体的破裂等机械过程所形成。它们在结构上可以是均相的，也可以是多相的。已生成的气溶胶在大气中仍然有可能再参加大气的化学反应或物理过程。
液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为 10-3～102微米。粒径在10-1～101微米的气溶胶在大气光学、大气辐射、大气化学、大气污染和云物理学等方面具有重要作用。
小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。微粒在大气中沉降的过程中， 受到的阻力和重力的作用达到平衡时， 各种粒子的沉降速度不同(见下表)。

气溶胶的消除，主要靠大气的降水、小粒子间的碰并、凝聚、聚合和沉降过程。
科技名词定义

中文名称：气溶胶
英文名称：aerosol
定义1：悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质的统称。
所属学科： 大气科学(一级学科) ；大气物理学(二级学科)
定义2：悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质的统称。
所属学科： 海洋科技(一级学科) ；海洋科学(二级学科) ；海洋气象学(三级学科)
定义3：空气中的液态或固态微粒悬浮物。
所属学科： 生态学(一级学科) ；全球生态学(二级学科)
气溶胶的种类
自然产生的气溶胶
天然气溶胶：云、雾、霭、烟、海盐等。
生物气溶胶：微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质的称为生物气溶胶（bioaerosol），其中含有微生物的称为微生物气溶胶。
人类产生的气溶胶
工业化气溶胶：有杀虫剂、消毒剂和卫生消毒剂、洗涤剂和清洁剂、蜡、油漆和发胶。
食用气溶胶：搅拌过的奶油。
浓度和分布
气溶胶的浓度，可以用一定体积中微粒的总质量来表示，基本单位是微克/米3，也可以用数密度即单位体积内的粒子数目来表示。气溶胶的分布特性通常可用其粒子数目(n)、粒子表面积(S)、粒子的体积(V)或质量(m)按粒径大小 (D)的分布来描述，一般作dn/d lgD、dS/d lgD和dV/d lgD对lgD的分布图，它们基本上呈正态分布。对于半径(r)在0.1微米和10微米之间的粒子，一般用容格(Junge)分布来表示，即：
n(r)＝Cr-（v+1）

式中v近似等于3，C 是正比于粒子浓度的常数。但是20世纪70年代以来，有人提出三模态大气气溶胶的分布(爱根核模、积聚模和粗粒子模)。 图中还示出它们的粒径范围、主要质量源以及质量的输入或去除的主要过程。由此可见，爱根核范围的粒子是由高温过程或化学过程产生的蒸汽凝结而成；积聚作用范围的粒子是由核模中的粒子凝聚或通过蒸汽凝结长大而形成，80％以上的大气硫酸盐微粒属于此模；粗粒子则是由液滴蒸发、机械粉碎等过程形成。细粒子和粗粒子的分界线通常直径为2微米左右。从对人体呼吸道的危害看来，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微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加，0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。
半径小于0.1微米的粒子，其数密度随离地面高度的增加而减小，这表明它们来源于地表；但半径0.1～1微米的粒子，其数密度在对流层顶上部随高度逐渐增加，并且在15～20公里附近出现极大值，形成平流层内的气溶胶层，这层气溶胶可能是火山喷出物气体在平流层中经氧化成固体而形成的。它虽然只占大气中气溶胶总量的百分之几，但对于大气的气温有重要的影响。
通过大气遥感可探测气溶胶粒子的平均谱分布。
化学组成
气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。由于来源不同，形成过程也不同，故其成分不一，特别是城市大气受污染源的影响，气溶胶的成分变动较大。但是非城市大气气溶胶的成分比较稳定，大体上与地区的土壤成分有关。
大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐，是气溶胶的主要成分之一。其转化过程尚未完全明白，已知二氧化硫可在均相条件下（在气相中），或在水滴、碳颗粒和有机物颗粒表面等多相条件下（在液相或固相表面上）转化成三氧化硫，再与水反应生成硫酸，并和金属氧化物的微尘反应而生成硫酸盐。硫是气溶胶内最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况。
气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。气溶胶中有铵离子存在，能与硫酸根离子和硝酸根离子生成铵盐。至于气溶胶中的有机物，更是许多种类有机物的复杂混合物，其中包括稀烃、烷烃、芳烃、多环芳烃、醛、酮、酸、醌、酯，以及有机氮化物和有机硫化物等。
气溶胶来源于土壤的各种元素（如铕、钠、钾、钡、铷、镧、铈、硅、钐、钛、钍、铝等），其含量在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等），就有较大的地区差别。
气溶胶对环境的影响

CFC对臭氧的影响
臭氧天然存在于地球的高层大气中，形成一个气层，可防止一部分紫外辐射照射到地球上。如果这个大气臭氧层变得更稀薄，则会有更多的紫外线到达地球，可能损害作物，恐怕还可能导致人类的皮癌发生率增加。
20世纪70年代，美国科学家断定，臭氧的浓度正在缓慢降低。来自气溶胶及其他来源的CFC正在上升到高层大气，在那里被紫外线分解。这种作用释放出氯原子，后者与臭氧形成新的化合物。理论上，大气臭氧在此过程中逐渐减少。
这种研究结果引起广泛的注意，1978年美国政府在大部分产品中禁用CFC气溶胶。两年后，美国声明，它打算首先制止所有产品中CFC产量的增长，然后急速削减生产。气溶胶工业辩驳这种行动，宣称臭氧耗竭论有问题。他们还坚持，美国的行动没有国际合作，损害了美国工业而不解决任何问题。到了1981年底，只有加拿大、瑞典和挪威与美国一起禁止CFC气溶胶。欧洲共同市场各国已贯彻缩减使用碳氟化合物喷射剂。
烟雾对大气影响

烟雾可危害多种物质，包括动植物。化学方法产生的一团烟雾可刺痛眼睛并使呼吸困难。如果烟雾产生于大量烧煤和工业排放气体废物的地区，则这种有害气体通常含有二氧化硫和氮的各种氧化物。汽车排气含有燃料的未完全燃烧部分。
有害物质可传播很远。例如，二氧化硫可与大气水分化合而生成硫酸。然而风可将含酸的云吹走许多千米，然后才以污染性酸雨的形式释放出它的水分。
在阳光强烈和风力轻微的地方，所产生的烟雾危害最大。在这种情况下，大气逆温常在一个地区的上空保持一团静止的空气。在逆温中，重空气位于较轻空气的上面并压住它。阳光使一些汽车排出的烟气变为臭氧。停滞空气中的臭氧增多，可导致很多危害。烟雾的有害作用已成为制定防止污染的法律中的主要因素。