大气降尘研究应用现状

大气降尘研究现状 1.2大气降尘简介 大气降尘（Dust fall）是指在空气环境条件下,依托重力自然降落于地面空气颗粒物，这些颗粒物源于各种途径,并且具备形态学、化学、物理学和热力学等多方面特性，粒径多在10μm以上。但在静止空气中10μm如下尘粒也能沉降，此外，当空气湿度较大或者发生降水时，气溶胶通过冲刷作用也可以降落于地表形成降尘。因此广义上大气降尘也涉及某些大气气溶胶。大气降尘是地球表层地气系统物质互换一种形式,降尘过程有重要环境指征意义。大气降尘计量单位为一定期间内单位面积上地表降尘量，表达为或[1]。大气降尘是地球表层地-气系统物质互换一种形式，是陆地生态系统重要构成某些。从空气动力学角度上讲，由于大气降尘极易沉降，所携带污染物易导致近源污染；但在风力较强劲时候，大气降尘也能在大气中长距离建议而导致远源污染。由于大气降尘不但危害人类健康[2]，还变化大气辐射平衡[3]，影响植物光合伙用好土壤性质等[4]，因而引起国内外学者广泛关注[5]。 1.3大气降尘理化特性 大气降尘监测是进行降尘沉积物特性研究首要工作。采集降尘样品后，常规分析内容普通涉及沉积速率、粒度分布、矿物成分和元素组[5]等。大气降尘理化特性取决于下列3个基本因素[5]。1源区物质性质；2侵蚀时风速度和湍流速度决定了风可以启动和带走哪种颗粒；3粉尘被输送垂直和水平距离,按粒度大小、形状和密度,在搬运过程中粉尘将被分选，因而，随着搬运距离增长,矿物和化学分异作用也随着增强。通过对大气降尘理化特性分析，可以推断其物质源区、传播机制及环境效应等。 1.3.1 大气降尘粒度特性 降尘颗粒物粒度构 与大气搬运时动力环境密切有关。普通说来,距沙尘源区越远下风方向，大气中悬浮粉尘平均粒径普通就越小，地方性粉尘比普通长距离搬运粉尘颗粒要粗得多，此外,地方性粉尘粒度分布也强烈强烈受着源区物质粒度控制，人为源产生颗粒物比自然源产生颗粒物要细[ 24,25] 。在源区附近，由于粉尘颗粒搬运体现为悬浮、跳跃和变性跳跃相结合方式，因而降尘粒度明显显示分布范畴较宽特点。肖洪浪[22]报道沙坡头降尘中值粒径为85um,上限为250um,在远离沙尘源区北京,刘东生[3]报道降尘中值粒径为20. 1Lm,上限在150Lm 左右。在大陆上采集粉尘经常具有地方性物质和远距离搬运物质混合物，有时导致粒径分布呈明显双峰态。许多研究表白,当代大气降尘粒度分布特性与黄土非常相似,证明了当代降尘是地质时代风尘活动继续，当代风积作用仍在进行,但两者粒度参数存在差别，也许与黄土化过程关于[ 26，27] 。从不同天气状况来看，普通说来,由于沙尘天气发生时风速较大，可以搬运更粗颗粒物，因而与非沙尘天气降尘相比,沙尘天气降尘平均粒径要偏粗，分选更差,这也是它在搬运过程中不稳定大气动力环境反映。王赞红[27]报道北京市沙尘天气和非沙尘天气降尘中值粒径分别为25.21um 和15.84Lm,分选系数分别为1.68和 1.46。李玉霖[28]报道兰州市两种天气降尘中值粒径分别为30. 25Lm和23.66Lm,分选系数分别为1.29和1.26。 1.3.2大气降尘化学特性 自然源和人为源产生粉尘矿物成分、元素构成和磁化率均有明显差别，来自不同自然源粉尘化学特性也有较大区别。来自于地壳源粉尘,重要矿物成分是石英、长石、方解石、白云石、云母、绿泥石、高岭石、伊利石、蒙脱石等,然而，任何一种粉尘精准组 取决于源区物质性质。粗粒粉尘普通富含石英、长石和碳酸盐矿物,而远距离运移粉尘典型地富含云母和粘土[ 5]。粉尘颗粒物矿物构成也可以反映大气污染状况,例如，溶解在大气中气态污染物 很容易与方解石等固体颗粒物发生反映生成如石膏之类硫酸盐粒子[29 32] ,此外，燃烧产物中会具有大量成分为球粒,而地壳岩石中没有具有该成分矿物[26]。 降尘颗粒物元素组 是分析大气污染重要手段之一。近年来大量研究应用富集因子EF来表 示大气中元素分布、传播、富集和判断元素来源等[25,33] ，当降尘中某一元素富集因子明显不不大于1时,表白该元素在降尘中被富集，也许人为源对其影响较大,当富集因子接近1时,表白该元素重要来源于地壳源。而地壳源产生颗粒物中，元素A l 、Fe、K、Ti具备几乎相似浓度粒度分布，在粉尘大气搬运过程中,虽然某种大气清除过程对某一粒级有选取清除限度较大,但在各个粒级以及全样上，Fe/Al、K/Al、Ti/Al比值应基本保持不变，因而运用这些元素比值,可以追踪粉尘源区[34，35]。 大气降尘来源也可以通过降尘颗粒物其她性质来判断,例如人为源产生粉尘由于具有燃烧物质因而比地壳源粉尘颜色偏暗[ 18，25，27] 。 此外,人为源产生颗粒物磨圆度普通好于地壳源产生颗粒物，而同样来源于地壳源,经长距离搬运颗粒物由于互相碰撞摩擦,其磨圆度普通好与方性颗粒物[25]。 1.4 大气粉尘形成、传播、沉降机制 1.4.1 大气粉尘形成机制 降尘是大气中粉尘沉积物,大气中粉尘颗粒物来源可以分为自然来源和人为来源两类。在自然源和人为源中均有一次和二次颗粒物来源。自然源中一次颗粒物来源重要有土壤颗粒物和地球表面沉积物、火山喷发形 火山粉尘、由各种火灾产生烟尘颗粒、海洋中波浪破碎和气泡爆炸产生大气气溶胶、陨石进入地球大气层分解形 宇宙粉尘、生物界花粉、孢子等。二次颗粒物来源重要有森林中放出碳氢化合物经光化反映后产生微小颗粒，自然界硫、氮、碳循环中转化物等，人为源重要涉及工业过程如矿山和露天采石场等产生工业粉尘 [5，11] 。据关于资料记录[ 12]，全球自然源发生量中一次颗粒物为120710 t/a，二次颗粒物为110510 t/a。关于自然源和人为源产生量，各种资料记录成果均有所不同。赵德山等[ 13]以为，人为活动产生量约占9-11，随着工业发展，人为源量还会增长。在自然源中，土壤颗粒物和地表沉积物 粉尘产生量是很大,当前尚无这方面精确报道,H idy和Brock预计大气中这种来源粉尘年总产量可达61-36610 t/a[14]。 1.4.2大气粉尘传播机制 一种颗粒一旦被逐出地表,则可借助蠕动、跃移或悬浮而移动,而颗粒被移动距离和方式取决于它物理特性质量、形状和风速度与紊流构造。据拜格诺风洞实验成果，粒径不不大于300um 颗粒只能在地面跃移或蠕动而不能在大气中悬浮，粒径70-300um 颗粒也很少被悬浮搬运，粒径不大于5um粘粒在没有粗颗粒掺杂下不能层中并被搬运到几千km 以外[ 15，16]；肯尼斯.派伊[ 5] 以为,在地球大气中以悬浮方式传播粉尘颗粒几乎都不大于100Lm,不不大于20Lm颗粒在涡流因随着强风而削弱时会不久沉降回地面，能作长距离搬运物质都是不大于10Lm颗粒,并且绝大某些是不大于2Lm颗粒。吴正[]17]以为悬移和跃移颗粒粒径分界值为50Lm。图1为一次中档风暴中不同粒径颗粒物典型搬运方式。在这次中档风暴中,粒径 20Lm 颗粒物才可以在大气中作长期悬浮,20-70Lm 颗粒物可以作短时悬浮,70 -100Lm颗粒物只能作变性跃移，变性跃移是介于纯跃移和纯悬浮之间，颗粒通过气流