1 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
2 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049
3 中国科学院城市环境研究所区域大气环境研究卓越创新中心, 福建 厦门 361021
大气中的沙尘气溶胶颗粒物会通过与太阳辐射相互作用、参与云的形成过程等, 对气候系统产生强烈影响。对流层中的沙尘气溶胶通常是含有各种粒子成分的不均匀混合物, 只有通过详细了解单个沙尘粒子的理化特性才能充分认识其对气候的影响效应。基于此, 对过去 20 年基于光学方法对大气沙尘气溶胶观测分析的研究进行了全面的综述。回顾了利用电子显微镜、激光雷达以及单颗粒质谱等光学技术的研究成果, 简要介绍了基于扫描电镜和能谱、偏光特性、非对称因子等的观测分析技术, 并讨论其优缺点; 总结了沙尘气溶胶形貌、混合态特征研究, 讨论其参与大气物理化学过程的主要方式; 讨论了污染沙尘的光学性质、吸湿特性及成核能力, 这些特性都对气候变化和预测有重要影响。大气中的沙尘气溶胶是复杂多样的, 如何将精确的单粒子分析技术和快速响应的在线检测技术结合将是未来大气探测的研究重点, 这些研究成果也将进一步扩展到气溶胶的环境和气候影响研究, 以及人类健康风险评估中。
沙尘气溶胶 形貌特征 混合态 单颗粒检测 大气化学过程 气候效应 dust aerosols morphological properties mixing state single particle detection atmospheric chemical process climatic effects
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO2等痕量气体进行垂直分布探测的问题, 提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO2的方法, 搭建了仪器系统, 成功地实现了夜间对NO2气体浓度的测量。 该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分, 采用主波长为450nm的LED作为光源, 通过望远镜采集发光束的散射光, 利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中, 结合DOAS原理运用计算机进行处理。 DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律, 据此原理可将数据处理过程概述如下: 首先采集相对干净光谱作为背景参考谱, 用实际测量大气谱除以参考谱, 利用数字高通滤波去除慢变化部分, 然后取对数, 即可获得光学厚度; 其次将仪器函数与NO2的高分辨率截面卷积, 得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面; 最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合, 运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO2浓度值。 同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度, 测出不同位置处NO2浓度值, 进而给出NO2气体浓度的立体分布信息。 在算法确定的情况下, LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。 由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大, 为了保证LED处于最佳工作状态, 开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。 测试结果表明, 要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量, LED工作温度应低于20 ℃, 驱动电流需控制在1.5 A以内, 且两者波动范围较小。 实验中, LED实际工作温度为10~15 ℃, 驱动电流为1.4 A, 控制精度±1 mA, 能够满足实验要求。 为了提高LED阵列密度、 获得更加集中的发光束, LED底座基板采用正六边形结构, 每块正六边形基板上7只LED串联, 各个基板之间并联。 经计算较采用矩形结构, 其空间利用率提高了8%。 各基板工作电流1.4 A, 最大电压23.8 V, 易于扩展, 维护方便。 为了验证方案可行性及系统的可靠性, 进行了实验室测试及外场实验。 实验室采用NO2样气浓度为1 642.86 mg·m-3, 不确定度5%。 系统测量结果为1 607.54 mg·m-3, 与标定值误差为2.15%, 在标定的不确定度范围以内, 经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3(6.942 ppb), 因此可认为测量结果准确。 将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO2数据进行了对比, 对应时间段结果偏差均在10%以内, 两组数据线性拟合一致性较好, 相关系数达0.967, 表明该系统所测NO2结果较准确。 研究结果表明, 在确保LED光源稳定的基础上, 采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO2气体垂直分布情况测量。 为大气痕量气体垂直分布测量、 特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。
蓝光LED 差分吸收光谱 NO2测量 大气化学 Blue LED Differential optical absorption spectroscopy NO2 measurement Atmospheric optics 光谱学与光谱分析
2019, 39(5): 1398
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
夜间大气NO3自由基的氧化能力相当于白天OH自由基, 鉴于NO3自由基在大气反应过程中的关键作用, 准确测量其浓度及研究其夜间大气化学过程具有重大意义。 采用以二极管激光器为光源(中心波长为662 nm, 半高宽0.3 nm), 两块高反射率镜片(R≥99.998 5%)形成的腔体为光学共振腔, 有效光程达到约20 km的腔衰荡光谱系统(CRDS)对夜间大气NO3自由基进行测量, 并且针对秋冬季交通繁忙区域夜间大气边界层NO3自由基化学过程进行研究。 采用该系统于2014年10月29日—11月15日在北京市中国科学院大学校园开展了NO3自由基连续外场观测实验, 观测期间NO3自由基浓度相对较低, 最大浓度约为50 pptv, 平均值为10 pptv。 并结合NO2, NO和O3等相关辅助数据对测量结果进行分析, 分析表明在观测期间NO3自由基产率为 0.04～1.03 pptv·s-1, 平均寿命约为68 s。 并且近一步分析了观测期间大气NO3自由基损耗途径, 探讨了不同湿度及颗粒物浓度对其损耗的影响。 即观测期间当大气中RH≥60%, PM2.5浓度大部分大于60 μg·m-3时, ln(τss(NO3))与ln(NO2)的相关性达到0.79, 大气中NO3自由基损耗主要以间接为主; 然而在RH≤40%, PM2.5浓度大部分小于60 μg·m-3时, 因测量点靠近国道受局地污染源影响, 直接损耗较显著; 当大气中40%
NO3自由基 腔衰荡光谱技术 夜间大气化学 损耗途径 NO3 radical Cavity ring down spectroscopy Nocturnal atmospheric chemistry Loss process 光谱学与光谱分析
2016, 36(10): 3097
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230026
相对于OH自由基是白天大气化学的驱动力,NO3 自由基则是夜间大气中重要的氧化剂,NO3 自由基浓度的 准确测定对夜间大气化学的研究具有重要意义。然而由于大气中NO3 自由基寿命短、浓度低(几百ppt),使 得对其测量具有挑战性。上世纪八、九十年代,主要采用差分光学吸收光谱(DOAS)技术和基质隔离电子顺磁共 振光谱(MI-ESR)技术对NO3 自由基进行测量。随着科学技术的快速发展,本世纪初逐渐发展出腔衰荡光 谱(CRDS)技术、腔增强吸收光谱(CEAS)技术、激光诱导荧光光谱(LIF)技术和化学电离质谱(CIMS)技术来 探测NO3 自由基。综述了国内外大气NO3 自由基探测技术的研究现状和发展趋势,对各种方法的 原理、优缺点及应用进行了较为详细的介绍,并总结了其在大型外场观测中测量NO3 自由基所取得的研究进展。
NO3 自由基 测量技术 大气化学 NO3 radical measurement technology atmospheric chemistry 大气与环境光学学报
2015, 10(2): 102
