[发明专利]利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法

说明书

技术领域

本发明涉及气溶胶微物理特性测量领域，具体涉及一种利用光-热转换法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，它可以实时测量大气气溶胶吸收系数。

背景技术

气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气科学的很多领域都与气溶胶有关。大气气溶胶粒子的存在直接影响了光在大气中的传播，造成光在大气中的衰减。大气中气溶胶粒子对光的散射和吸收特性是影响光传播的主要因素之一，气溶胶粒子的吸收系数（折射率虚部）是决定大气气溶胶吸收特性的重要参数，在大气辐射收支平衡中起着重要的作用，气溶胶辐射强迫效应的正负在很大程度上取决于其吸收系数的大小。气溶胶粒子对光的吸收，还造成了大气中一些气溶胶粒子间以及气溶胶粒子和气体间的光化学反应，产生了很多尚不可测的影响。而气溶胶的吸收系数直接反映了碳气溶胶的污染程度， 况且气溶胶吸收系数在研究气候变化、卫星遥感和颗粒物污染等方面是不可获缺的参数。因此，研究实际大气气溶胶吸收的测量方法有着重要的科学和应用价值。

大气中的气溶胶粒子主要集中在近地面边界层内，由于地理位置、环境和气象条件的变化，气溶胶的化学成分较为复杂，由于除含有沙尘、矿物质、烟灰、沥青和煤烟等成分外，还常含有硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐和碳酸盐等。不同地区气溶胶基本微物理参数特别是气溶胶吸收系数的时空变化差异很大，因此，许多研究人员对气溶胶粒子吸收系数的测量方法进行了研究。目前，直接测量气溶胶吸收特性的方法还不多，对于气溶胶粒子吸收的测量，是一个重要而又很难解决的问题。因此研究测量大气气溶胶吸收系数的方法是一项很有意义和迫切需要的工作。

气溶胶粒子对光的吸收系数很小，典型值为 10 ^- 3 ～10 ^- 6 m^-1，它对光吸收的同时总伴有对光的散射，测量时一般不能很好地消除散射的影响，导致准确测量气溶胶粒子对光的吸收系数极其困难。目前，关于气溶胶对光的吸收及折射率虚部的测量已有很多报道，对气溶胶吸收系数的测量方法可以简单概括为三类：（1）测量气溶胶粒子吸收光的能量后产生的声波来确定粒子的吸收系数即光声光谱法。当气溶胶受到调制或脉冲光照射时，气溶胶粒子吸收光产生热，热量传给空气，从而产生声波。麦克风输出的电压与声压成正比，声压与气体吸收的热量成比例，即间接与光吸收系数成比例。散射光不产生热量，它对声波的产生没有影响，所以光声法很成功地消除了散射光对光吸收系数测量的影响。光声法系统的结构简单，但受腔的热损耗、粒子的湿度等因素的影响较大。（2）测量直接采样得到的气溶胶粒子样品的吸收系数，如积分片法和采样光度计法。以采样光度计法为例，采样光度计(Sampling Photometer)用滤膜采集大气气溶胶粒子，并用光纤传感器监测滤膜的反射光。随着滤膜上大气气溶胶粒子的增多，反射光强逐渐减弱。大气气溶胶粒子的吸收系数σ_a由公式给出：

σ_a=(Area/Vol)·ln(Rf₀/Rf)·C

式中Area为滤膜面积，Vol为采集空气的体积(m³)，Rf₀为第i个周期滤膜的反射光强，Rf为第i+1个周期滤膜的反射光强，C为校正系数。这一测量方法是基于激光传输理论的基础上，根据激光传输理论对于沉积在漫反射基片上的吸收粒子，激光传输仅对吸收敏感。在漫反射基片上聚集的粒子随时间的增加而增加，信号光的衰减与聚集粒子的厚度成正比，即光的衰减是气溶胶粒子累积吸收的结果。通过信号光和参考光以及对气流速度的分析便可得到吸收系数。由于该方法在测量中改变了气溶胶粒子的自然悬浮状态，滤膜收集到的粒子的光学特性可能与实际大气中情况有所不同。还有，该方法忽略了多次散射效应和后向散射以及一些界面反射等的影响，这些都可能会造成较大的测量误差。（3）碳元素法。测量碳元素，因为元素碳是大气气溶胶中的主要吸光物质，所以可通过测量气溶胶中元素碳的含量来研究气溶胶的吸收特性和吸收系数，而元素碳浓度法需要对气溶胶元素碳浓度的精确测量，需要知道元素碳的质量吸收效率并确定元素碳是被测气溶胶中唯一有意义的吸收成分。

本发明利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的测量方法，基于光与粒子相互作用，粒子吸收光产生热效应，粒子散射光不产生热量等特点，某一波长的光在充满气溶胶的绝热玻璃管中传输，气溶胶粒子对光的吸收效应可以通过玻璃管内的温度传感器测量得到；本发明直接测量粒子对光的吸收效应，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，测量中有效扣除了空气分子吸收的干扰，可以对大气气溶胶进行连续的实时在线测量。