大气气溶胶介电常数的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)甘肃省陇南市气象局 作者:张锋

  由于气溶胶的介电常数不易直接测量,气溶胶的复折射指数的实部与其介电常数之间存在的一定关系,利用这一关系,可以用气溶胶的复折射指数的实部来求出其介电常数,并对4种基本粒子、3种常见类型的气溶胶以及任意体积比混和建立的气溶胶类型的介电常数进行了研究。

  气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系,它的粒子直径多在0.001~10μm。根据标准辐射大气模型,可把对流层气溶胶按成分分为沙尘性粒子、水溶性粒子、海洋性粒子、煤烟4种类型。气溶胶对气候的影响一方面表现为大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射和地面辐射出的长波辐射,从而影响地-气辐射收支;另一方面气溶胶浓度变化会影响云的光学特性、云量,而云的变化反过来影响气候。气溶胶对全球温室气体的热效应的阻碍作用,在20世纪已被人们所认识,但这种冷效应具有很大的不确定性,气溶胶的影响力和不确定性可能比一般模型中模拟的大得多,因而认识气溶胶的气候效应对预测全球变暖更具有重要意义。大气气溶胶对地球表层系统的辐射收支有重要的影响,是大气辐射传输过程中三大活跃要素之一。

  大气气溶胶对气候变化有重要的直接和间接的影响,通过气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射,直接改变地-气系统的能量收支。大气气溶胶作为大气的重要组成部分,也是大气电场的介质中的重要组成,它在大气电场中有重要作用。大气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均与气溶胶有关,研究气溶胶的介电常数是大气气溶胶发展的一个很重要方向。笔者研究了不同类型大气气溶胶中的介电常数,由于气溶胶的介电常数不易直接测量,气溶胶的复折射指数的实部与其介电常数之间存在的一定关系,利用这一关系,可以用气溶胶的复折射指数的实部来求出其介电常数,并对4种基本粒子、3种常见类型的气溶胶以及任意体积比混和建立的气溶胶类型的介电常数进行了研究。

1、资料与方法

  1.1、理论依据根据Mie散射理论,由气溶胶的谱分布和它的折射率可以计算出:αa=π∫Qext(n,r,λ)n(r)r2dr、βa=∫λ28π2[M1(180°)+M2(180°)]n(r)dr、S1=αa/βa,式中,Qext、M1、M2是折射率n、粒子半径r和波长λ的函数,由于谱分布可以由粒子计数器测量得到,λ=0.532μm,只要假设一定的折射率n就可以由Mie理论计算出来αa和S1。若计算出的αa和S1与测量结果在一定范围内相同或相近,此时假设的折射率就是大气气溶胶真实的折射率。根据Mie散射理论,计算了相函数(θ)、消光和散射系数,不对称因子的基本部分界定其大小分布和折射率。计算在默认的20波长和83相位角(80高斯角,0°、90°和180°)或高达1000相位角(997高斯角,0°、90°和180°)的条件下完成。

  3个基本气溶胶类型模型可以由4个基本气溶胶类型组成按照以下体积百分比混合建立(表1)。利用粒子体积百分比的Cj计算3个基本气溶胶类型模型的复折射指数和介电常数的值。对于每一个组成部分,笔者计算了体积浓度Vj和粒子数目浓度Nj(表2)。如果气溶胶是由j种粒子组成的混合体,组成粒子的体积百分比为Cj,然后可以得到粒子的密度百分比。3个常见类型气溶胶中4种基本气溶胶粒子所占的密度比例如表3所示。在6S手册中给出4种基本粒子在10个不同波长处的负折射指数的实部和虚部的数据,在给定气溶胶类型的情况下,用6S手册中给出的数据,通过一些公式可以计算出气溶胶在不同波长处的复折射指数和介电常数。

表1 3种常见气溶胶类型中4种基本气溶胶粒子所占的百分比%

3种常见气溶胶类型中4种基本气溶胶粒子所占的百分比

  比较分析Q1、Q2、Q3、Q4和Q5,发现在同一波长处这5种气溶胶的介电常数是Q2>Q1=Q3=Q5>Q4。以Q1为基准,比较Q1、Q2和Q4,得出这3种气溶胶介电常数的关系是Q2>Q1>Q4,而在图5中,Q2中煤烟粒子的含量较高,而Q4中水溶粒子的含量较高,这就证明Q2比Q4的介电常数大。同理Q2比Q1、Q1比Q4的介电常数大。以Q6、Q7和Q8为一组,对其结果进行分析,可以看出在Q6中煤烟粒子的含量比Q7和Q8中的含量高,所以Q6的介电常数比Q7和Q8的介电常数大;而Q7和Q8中,煤烟粒子的含量与其他粒子的含量相差不大时,煤烟粒子还是在整个气溶胶中起重要作用,其他粒子的影响不如煤烟粒子的大,故而Q7和Q8的介电常数之间相差不大。以Q9、Q10、Q11和Q12为一组,比较分析发现,在Q9中,煤烟粒子的含量比其他几种气溶胶中煤烟粒子含量小,所以Q9的介电常数是最小的。在Q10、Q11和Q12中,煤烟粒子的含量一样,均为0.3;Q11中的水溶粒子的含量小于Q10和Q12,而水溶粒子的介电常数相对煤烟粒子来说比较小,因此Q11的介电常数比其他2种的大。

  综上所述可见,4种粒子同时存在的情况下,当水溶粒子和煤烟粒子固定时,灰尘粒子和海溶粒子的含量变化对整个气溶胶的影响不大。而煤烟粒子的影响最大,且起决定性作用,海溶粒子的影响最小。

结论

  (1)组成的基本粒子所占比例不同,所组成的气溶胶的介电常数也不同,气溶胶的介电常数随组成成分的比例不同而变化。

  (2)对于4种基本粒子,在同一波长处,煤烟粒子的介电常数最大,海溶粒子的介电常数最小,水溶粒子和灰尘粒子的介电常数介于煤烟粒子和海溶粒子之间。

  (3)在城市空气中煤烟粒子含量高,海洋大气中气溶胶由海溶粒子和水溶粒子组成,这就导致了在城市空气中气溶胶介电常数最大,海洋空气中气溶胶的介电常数小,大陆的气溶胶介于二者之间。

  (4)在任意一种气溶胶中,煤烟粒子对气溶胶介电常数的影响最大,海溶粒子对气溶胶介电常数的影响最小,灰尘粒子和水溶粒子的影响介于二者之间。

  (5)4种粒子同时存在的情况下,当水溶粒子和煤烟粒子固定时,灰尘粒子和海溶粒子的含量变化对整个气溶胶的影响不大,灰尘粒子和海溶粒子的含量变化引起的介电常数的变化很小,变化幅度小于10-4。有些变化幅度不大,如海洋型气溶胶,变化幅度在10-4以内;有些变化很大,如大陆型气溶胶随着成分的变化变成城市型气溶胶,其介电常数也跟着变化,而其变化幅度比较大,最大达0.7。

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