大气中无机气溶胶的种类及其对人类的影响.doc

学年论文

大气气溶胶的环境效应研究

姓 名 蒋 雨
学 号 20081304036
院 系 环境科学与工程学院
专 业 环境科学
指导教师 徐 慧

二 Ｏ一二 年 一 月 四 日

大气气溶胶的环境效应研究
摘要：文章综合论述了我国大气气溶胶的环境效应研究的四个方面: 气溶胶的理化特性，气溶胶的辐射特性及其气候效应，健康效应等概况，阐述了当今大气气溶胶的研究意义及趋势。本文主要着重于气溶胶的物理化学特性与环境行为生态效应并且密切结合气候的变化，对人类环境及健康影响等有关的一些实际问题，进行深层次的综合性讨论。
关键词：大气气溶胶 辐射特性 气候效应 健康效应
引言
人类赖以生存的环境大气,实际上就是由各种固体或者液体微粒均匀的分散在空气中形成一个庞大的分散体系，即气溶胶体系。随着环境污染问题的出现，它早被人类所关注。人类已经认识到气溶胶的污染特性和物理化学性质以及在大气中的非均相反应之间的关系并引发了一系列的环境问题，如臭氧层的破坏，酸雨的形成。尤其是工业化以来, 人类活动直接向大气排放大量粒子和污染气体, 污染气体通过非均相化学反应亦转化形成气溶胶粒子。
另外，大气气溶胶对气候变化、云的形成、能见度的改变、环境质量变化、大气微量成分的循环及人类健康有着重要影响。同时，气溶胶又是大气中有害物质迁移清除的重要中间环节,尤其在雨水酸化过程中扮演重要角色。沿海地区吸湿性盐类气溶胶会对工业设施造成腐蚀损害。尤其是近年来关于气候变化的热门话题中, 人类关于气溶胶本身及通过云雨过程参与全球辐射平衡的研究日趋活跃。
下面对大气气溶胶研究的四个方面：气溶胶的理化特性，气溶胶的辐射特性及其气候效应的研究，健康效应的概述如下。
1.气溶胶的理化特性
作为人们的感官能直接觉察到的大气微量成分,大气气溶胶微粒直接妨碍视线、 影响人和动物呼吸系统的健康以及大气中形成云和降水。另外，大气中的悬浮物质会对大气运动造成很多影响, 其中包括可见度的变化和云层的分布,雨水的酸度和气候。尤其以对流层中气溶胶的影响最为突出。一直以来，气溶胶的物理化学特征研究都是大气环境研究的重要而普遍的问题。对其更深入了解有助于研究气溶胶对气候和人类健康的影响。
一般根据气溶胶的水溶性组分将其分为以下三种：
1.1硫酸盐气溶胶
人为排放的硫酸盐气溶胶在不同区域有很大的变化,一般表现为人口多的城市和工业发达地区排放量大，乡村和工业相对落后的地区排放量小。硫酸盐气溶胶的排放对气候和人类健康有很大影响的观点已经被人们所接受。硫酸盐气溶胶主要是由大气中的SO2与一些氧化剂, 如臭氧等反应生成,这些反应有气相和液相之分,其中发生在液相中的反应对硫酸盐的生成贡献最大,达到2/3。SO2 转化成硫酸盐气溶胶受很多因素的控制,如氧化剂的浓度、云的pH值、SO2的干/湿沉降速率以及气象参数(温度、相对湿度, 风速等)。可通过三维化学/传输模型来评估硫酸盐气溶胶在球的分布特征,清除SO2的过程主要有干/湿沉降和水平对流。SO2在陆地和海洋上的干沉降速率分别为0.6cm/s和0.8cm/s, 全球平均值为0.5cm/ s【1】。大多数硫酸盐气溶胶不是直接由燃烧化石燃料而释放的, 而是由SO2 被氧化生成, 大气中的SO2可直接与OH反应生成SO3,SO3 又与大气中的水蒸气快速反应生成H2SO4,而H2SO4的蒸汽压很低,很容易通过气粒转化过程形成细粒子硫酸盐气溶胶。大气中的粗粒子硫酸盐气溶胶主要来自于机械方式所造成的海水溅射、扬尘、风沙和火山灰的一次气溶胶粒子。硫酸盐气溶胶容易与大气中的NH3反应,生成(NH4 )2SO4 和NH4HSO4。
1.2 硝酸盐气溶胶
硝酸盐气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分。硝酸盐气溶胶有自然和人为两种来源, 但是随着人类农业活动和工业活动的加强,现代大气中硝酸盐气溶胶的来源是以人为来源为主, 比如大都市中的硝酸盐气溶胶的主要来源是汽车尾气。有研究表明【2】在大都市将近一半的NOx（氮氧化物） 是由机动车的尾气所致。在白天,大部分HNO3（硝酸）是由NO2 与OH反应生成, 大气中有活性的HNO3 趋向于与几种基本物质反应, 如NH3、地壳矿物和Nacl（氯化钠）的颗粒物。HNO3与NH3反应生成NH4NO3（硝酸铵）的反应是可逆反应, 该反应是城市中颗粒态硝酸盐和铵盐气溶胶的主要生成方式,该反应的平衡常数受相对湿度和温度的影响, 在低温且相对湿度较低的条件下易生成颗粒态硝酸盐。硝酸盐气溶胶主要以细颗粒的形式存在.
1.3铵盐气溶胶
铵盐气溶胶是大气中次生气溶胶的重要组成部分,它们主要由扩散到大气中的氨气与一些酸性气体(H2SO4,HNO3 )反应生成。这些气体间的反应及其转化过程已经被广泛研究。铵盐气溶胶是自然界系统中的重要肥料,并控制着气溶胶和雨水的酸性以及细颗粒物的生成,这些颗粒物往往会影响人类健康,降低大气的可见度。【3】NH3 能中和大气中的酸性物质,但是铵盐气溶胶沉降到生态系统中时会起到酸化的作用, 因此铵盐气溶胶对人类的影响有积极的一面, 也有消极的一面, 如铵盐气溶胶的沉降给生态系统中带来了营养物质, 但是过多的沉降会导致生态系统富营养化以及生态系统的酸化。
另外气溶胶颗粒物的化学组分 ,除一般无机元素外,运用 X2荧光光谱对 PM215 - 10气溶胶样品中的化学成分进行元素分析 ,目前已发现化学元素种类非常多 ,【4】这些元素有:铝(Al)、硅(Si)、钙(Ca)、磷( P)、钾( K)、钒(V)、钛( Ti)、铁( Fe)、锰(Mn)、钡(Ba) 、 砷(As)、镉(Cd)、钪( Sc)、铜(Cu)、氟(F)、钴(Co)、镍 (Ni)、铅 ( Pb)、锌( Zn)、锆（Zr)、硫(S) 氯( Cl )、溴 (Br )、硒( Se)、镓(Ga)、锗( Ge) 、铷( Rb) 、锶( Sr )、 钇( Y) 、钼(Mo)、铑(Rh) 、钯( Pd) 、银(Ag) 、锡( Sn) 、锑(Sb) 、碲 ( Te)、 碘 ( I) 、 铯 ( Cs)、镧 (La) 、钨(W) 、金(Au)、汞( Hg)、铬(Cr )、铀(U)、铪(Hf)、镱( Yb)、钍( Th)、铕( Ta)、铽( Tb)等。
2.气溶胶的辐射特性
大气气溶胶主要来源是化石燃料的燃烧、 生物物质的燃烧和人为不适当活动导致的沙尘、 扬尘等途径。研究表明对流层气溶胶已直接导致了全球减少0.5 %的太阳辐射 ,并可能间接导致同样的负强迫。【5】尽管这一辐射强迫主要集中于特定的区域和次大陆地区 ,但它对半球乃至全球的气候将产生一定的影响。1997年，Chuang应用耦合的气候/化学模式 ,并取云核化过程参数化 ,以局地气溶胶数密度、人为硫酸盐质量浓度和上升气流速度作为输入 ,研究人为硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫和间接辐射强迫。研究表明气溶胶全球直接辐射强迫约为 – 0.4W/ m2最大值出现在人为硫发射最强的亚洲 , 东亚地区年平均的人为硫酸盐直接辐射强迫约为- 0 . 7 W/ m2, 中国地区硫酸盐气溶胶所产生的辐射强迫地区性差异比较大, 最大值在长江中下游地区,达 - 3 W/ m2，主要出现于大陆上空【6】。间接强迫最大值位于北美和大西洋沿岸。气溶胶辐射强迫具有明显的不确定性 ,其主要原因在于人为硫酸盐气溶胶的大气负荷的变化起源于硫酸盐气溶胶相对短的滞留时间(约一周)【7】，还随大气中的降水过程的湿沉降而变化，表现为明显的空间不均匀性和时间变率大。可以认为气溶胶的强迫作用的不确定性是工业化地区上空气溶胶辐射强迫的最大不确定性, (Schwantz ,1996) 。【8】
另外还有研究表明【9】, 云对硫酸盐气溶胶的直接辐射强迫具有很强的减弱作用,云的光学厚度越大,云区域硫酸盐的直接辐射强迫越小。较高的地表反照率也会减弱硫酸盐的直接辐射强迫, 较低的地表反照率会增加硫酸盐的直接辐射强迫。
3. 气溶胶的气候效应
由于气溶胶颗粒具有各种粒度，这决定了它对光的不同效应。如吸收，散射或反射作从而对气候产生直接或间接的效应。其直接效应是吸收或反射太阳的辐射，使地球热平衡受到影响；其间接效应是对云的成核作用，使云的凝聚核增多，而增强云的反射。虽然100年前已有人提出气溶胶可能对云的寿命有影响，而使气候发生变化【10】，但未能进一步研究。随着对温室效应的重视,继而提出了海洋生物气溶胶对气候的影响，到90年代科学家们才重新对人为气溶胶的定量研究产生了兴趣。生物气溶胶【11】与人为气溶胶对云的直接效应，乃是当今研究气溶胶对气候变化的重点。为此，研究不同气溶胶的来源、组成、粒度及其光学性质是探讨气溶胶对气候影响的重要内容，提出外混合与内混合气溶胶颗粒【12】 对光的散射和消光作用是不同的。近年研究的结果表明，中纬度地区平流层臭氧的耗损，不能仅用气相反应机理来解释，还应包括硫酸盐气溶胶表面上的非均相反应过程但是，迄今对痕量气体和颗粒物浓度之间的动力学平衡、不同粒度的分布及其与前体物之间的关系，气溶胶的元素组成和粒度大小对云凝结核形成的影响等问题，还很不清楚。所有这些对定量评价气溶胶排放与气候变化的关系，都是十分重要的，有待进一步研究。有人指出，除了硫酸盐气溶胶外，还需考虑其他类型的气溶胶，如海盐气溶胶、矿质气溶胶以及其它人为排放的气溶胶对气候的负效应【13】。由于这些气溶胶大量存在于对流层中， 因而近年对痕量气体和气溶胶的研究重点有转向对流层的趋势，对于不同来源气溶胶和大气中其他痕量组分的相互作用，以及它们对气候的影响已经越来越受到人类的重视。
4.气溶胶与健康效应
随着世界工业化和城市化步伐的加快，城市的空气质量被人为污染越来越严重，最突出的问题就是气溶胶颗粒物对城市大气的污染。例如,在美国的许多城市，移动源是大部分细颗粒气溶胶的主要来源，其中包括柴油内燃机废气、汽油内燃机废气以及天然气内燃机废气。已经有文献【14】报道了交通对空气污染的影响。在工业发达的国家，70 %二氧化硫来源于工业排放，剩下的30%则源于交通工具的尾气，交通对空气污染的影响达到比大气中的总颗粒物要高出 50 %。交通是光氧化污染物以及气溶胶的重要来源。已有证据可以确定大气颗粒物的属性对人类健康有影响, 大气颗粒物对人类健康的危害是其大小和化学组分共同作用的结果。因此,在评估大气颗粒物对环境和人类健康的影响时,大气颗粒物的物理和化学性质都是很重要的。很多研究证实大气颗粒物会导致人类发病率和死亡率的上升【15】。具体表现为,气溶胶颗粒物及其可吸入细颗粒物浓度的升高会导致人类的哮喘发病率、 支气管发病率、过敏症发病率以及肺功能衰竭发病率的升高。大气颗粒物还影响成云过程、大气可见度、 日照率,并能导致云、雨和雾的酸化。大气颗粒物还是酸性物质和毒性物质的载体,影响人类的健康,破坏生态系统。例如,大气颗粒物中多环芳烃具有致癌作用,多环芳烃主要由不完全燃烧过程产生。汽车尾气、工业生产、天然气、燃煤、火葬场、吸烟、森林大火以及火山喷发都是多环芳烃的来源,此外,大气颗粒物中还含有DDTs、HCHs、PCBs等持久性污染物, 对人类的内分泌系统、生殖系统、 神经系统及免疫系统有较大的潜在危害,甚至有致癌作用。大气颗粒物中含有一些有毒的和潜在的有毒的金属和非金属物质, 这些物质对人类健康有很大危害。气溶胶中的细颗粒物会引起呼吸系统疾病, 尤其是居住在大城市的孩子和老人更容易受其所害。
值得一提的是 ,室内气溶胶污染正日益被人们所重视 ,除了炊事，家具，建筑装饰等释放的无机物，有机物和放射性物质外 ,现在对生物气溶胶 （袍子、霉菌、细菌 、螨虫、过敏原等）也十分重视 ,对它们的采样和检测的新方法正在研究中。【16】

结语
目前,我国对气溶胶的分类及其时空分布的研究已经比较深入, 部分气溶胶能对气候起到降温作用, 而温室气体的温室效应会使大气升温,从某种意义上来说这对人类的生产生活有积极意义，但对气溶胶的研究仍处于初级阶段，缺乏系统性的观测资料, 许多关于气溶胶的研究都是在小尺度时间范围内进行,其统计特征的可信度不高。这给气溶胶辐射与气候效应的研究带来了极大困难,这样就要求我们在有条件的地方进行长时间的气溶胶观测，一方面可以得到气溶胶长期变化趋势 ,另一方面可以为气溶胶研究提供基本的参考数据。我们可以考虑集中各方面人力物力 ,进行一次大的气溶胶综合试验 ,促进和加强在气溶胶探测、气溶胶直接和间接辐射效应、气溶胶气候效应等方面的研究。通过对气溶胶与人类健康与环境关系的研究，揭示其与人类之间的联系，从而降低气溶胶对人类的危害，保证人类健康和提供一个友好的环境。
参考文献
【1】高庆先,任阵海,姜振远等 人为排放气溶胶引起的辐射强迫[ J].环境科学研究.2007（1）：111--116
【2】 张婷, 曹军骥, 吴 枫, 等. 西安市春夏季气体及PM 2 . 5水溶性组分的污染特征 [ J]. 中国科学院研究生院学报, 2007 , 24 ( 5): 641- 647 .
【3】郭艳萍. 气溶胶与人类健康 [ J] . 周口师范学院学报, 2006 , 23( 5): 97- 100
【4】于凤莲.国际大气气溶胶研究主题和文献分布.中国气象局图书馆文献资料通讯,2007 ,4 :2-5.
【5】郭勇全，肖萍，黄松等 大气气溶胶及其气候效应的研究.[J] 化工科技市场2010,12- 0010- 05
【6】Dick hut R , Cincine lliA, Cochran M, et al . Atmospheric concentrations and air water flux of organic hlori ne pesticides along the Western Antarctic Peninsula[ J]. Environ SciTechno , l 2005 , 39( 2): 465- 470 .
【7】V ill a S , Neg relli C, MaggiV, et al . Analysis of affirm core for assessing POPs seasonal accumulation on an A lpinegl acier[ J] . Ecotox Environ Safety , 2006 , 63( 1) : 17- 24 .
【8】唐孝炎,张远航,邵敏/大气环境化学/北京.高等教育出版社,2006,305-201
【9】田华, 马建中, 李维亮. 中国中东部地区硫酸盐气溶胶直接辐射强迫及气候效应的数值模拟 [ J] . 应用气象学报, 2005 , 16( 3 ): 322- 333 .
【10】吴涧, 蒋维楣, 刘红年,等. 硫酸盐气溶胶直接或间接辐射气候效应的模拟研究 [ J] . 环境科学学报, 2002, 22 ( 2 ): 129134.
【11】毛节泰,张军华，王美华等中国大气气溶胶研究综述.[J]气象学报，2003,60(2):5--10
【12】陈丽, 银燕. 沙尘气溶胶对大气冰相过程发展的敏感性试验[ J] . 气象科学, 2009 , 29 ( 2) : 208 - 213
【13】董俊玲, 张仁建, 符淙斌.中国地区气溶胶气候效应研究进展[ J] . 中国粉体研究, 2010 , 16 ( 1) : 1-4.
【14】　Xavier Querol , et , al . Monitoring of PM10 and PM2. 5 Around Primary Particulate Anthropogenic Emission Sources. Atmospheric Environment, 2001 ,5 (4) : 845 —858
【15】梁 越, 唐星华, 刘小真, 等. 大气中持久性有机污染物的研究进展 [ J]. 江西科学, 2009 , 27( 4), 634 -638 .
【16】邵龙义等.都市大气环境中可吸入颗粒物的研究.环境保护,2000 ,1 :24-26 , - 29