人类和自然产生的对流层气溶胶在气候演变方面的影响

人类和自然产生的对流层气溶胶在气候演变方面的影响田申，曹江河,胡玉梅,李君婷,田申,徐治乙,杨阔在我们组同学的共同努力下，终于完成了论文，请老师指教，我们组同学在这个过程中通力协作，大家都很努力，投入，为这篇文章贡献了自己的力量。令附上翻译。组长：田申分工：组长：田申总论文撰写（其中徐治乙负责第三部分，李君婷胡玉梅完成第4。1部分）及翻译英文、ppt1-3部分，组员：曹江河李君婷胡玉梅负责PPT中4-8部分徐治乙负责PPT,总论文第3部分及演讲杨阔,徐治乙负责翻译录入及修改李君婷胡玉梅负责总论文4.1，英文4-8部分翻译1文章摘要（部分来自译文）气溶胶通过改变大气辐射、改变生化循环中的营养物质及移动有毒物质来影响气候。自然物质是造成矿物灰尘、海盐和高浓度MSO4气溶胶的主要原因。人类对对流成气溶胶的影响主要体现在对流层中的MSO4、NO3和CO2及C的气溶胶上。然而，仅仅全球的气溶胶（质量），不能很好的评估不同类型的气溶胶对气候的影响。相对的，一些小的未被吸收的微粒，像（NH4）2SO4盐和硝酸盐能有效地分散太阳辐射并起到冷却地球的作用。像C和矿石灰尘等一些吸收微粒在另一方面会引起温室效应，特别当它们存在于低空和地面表层时。关于气溶胶对吸收大气辐射的全面影响还不确定，因为关于气溶胶光学性质和时空分布的精确资料还不完全。目前估计人类造成的气溶胶对对流层会造成-0.5瓦特/平方米的影响。气溶胶还会改变云的构成和光学性质。这种影响被发现会对地球的热辐射有消极作用，但这更难量化。估计范围在0～-1.5瓦特/平方米。那些广泛的分散并且可能达到上对流层和平流层的颗粒物对气候有重要影响。气溶胶的存在被认为是尽管温室气体大量集聚而地球表面温度只是适度上升的原因。尽管众所周知，颗粒物能分散太阳光并可能吸收热和辐射。但从总体上，气溶胶的总量与全球大气受到的太阳辐射之间的关系还不确定。在考虑到短和长时间的气溶胶颗粒分散并将太阳辐射在被吸收前反射回宇宙时，可推断全球将变冷。气溶胶颗粒同样是云的凝结核。大量的小气溶胶颗粒将导致云中的水分散到更多更小的云滴中。小云滴能分散更多的入射光，气溶胶能直接引起大气层的降温。然而煤灰和大量的矿石灰尘将吸收热和辐射并且有将能量挡在低空大气的潜在能力。颜色浅的表面有高反射率（沙漠、雪）或者云会将辐射反射回。煤烟和矿石灰尘会加重温室效应，使地球增温。气溶胶颗粒是由不同的含盐物质、矿物、有机成分及水组成的复杂物质。这使人们很难估计它们对气候的影响。另外，有些颗粒物仅仅存在几天，而有的温室气体存在时间很长，因此全球气溶胶平均的集中趋势很难量化和模拟。源头还不清楚。人类活动所造成的气溶胶的影响是值得研究的。2气溶胶概述。2．1气溶胶的定义气溶胶是漂浮在空气中的固体或液体的颗粒物与大气组成的多相系统。颗粒物粒径多是在0.002--10μm范围内。2．2气溶胶的分类2．2．1按成分来源分：a由自然物质组成的：如由矿物灰尘、海盐和高浓度硫酸盐所组成的气溶胶。b由人类造成的：对流层中的MSO4、MNO3和CO2及C的气溶胶。2．2．2按颗粒污染物成因分：a分散性气溶胶：是指固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中而形成的。b凝聚性气溶胶：是由气体或蒸汽（其中包括固态升华而成的蒸汽）遇冷凝聚成液态或固态微粒形成的。2．2．3按凝聚状态不同分：1）固态气溶胶—烟和尘它们是由矿物粉碎加工和燃料燃烧产生的固体颗粒物形成的。如煤烟（碳粒）、冶炼厂的氧化铁烟粒、有汽车排放出的铅化合物烟气等。烟类气溶胶多由高温升华、挥发的蒸汽凝结或不完全燃烧过程形成，故一般颗粒较小，在0.1—1微米之间。而粉尘多由机械作用过程产生，如固体物料的输送、粉碎、研磨、装卸过程中产生的颗粒物及岩石、土壤风化产生的颗粒物，粒径一般较大，在1—76微米之间。2）液态气溶胶—雾由液滴分散在空气中而形成，直径在2—30微米之间。3）固液混合气溶胶—烟雾由煤尘、二氧化硫和浓雾相混合并伴有化学反应形成烟雾叫煤烟型烟雾；有碳氢化合物和NOx通过光化学反应形成的叫石油型烟雾。它们统称化学烟雾。微粒粒径小于1微米。2．3气溶胶的成分及来源2．3．1气溶胶的成分气溶胶的主要成分有矿石灰尘、海洋盐类、化石燃料的残余物、碳氢化物、硫酸盐及硝酸盐颗粒等。在某些地区也可能包含有火山灰、生物碎片、硝酸盐和工业灰尘等物质。其中矿石灰尘又是最主要的成分，它是由于地表的风蚀作用而形成的大小不等的岩石颗粒。偶然性的巨大的矿物性沙尘，细小颗粒及碎片会在高空中从一个大洲传到另一个大洲，从而引起气溶胶的扩散，故人为沙漠化是产生气溶胶的重要原因。另外海洋盐类是指由海洋浪花飞溅产生的气溶胶。它的特点是由于海洋气溶胶产生在低海拔并且颗粒很大，它们的寿命很短，会很快沉积下来。化石燃料的残余物所形成的气溶胶是指火山灰和人为的煤烟在燃烧及之后的一小段时间内形成初级的气溶胶。除了家中、交通和工业上的燃煤、油、气之外，在热带地区人为的燃烧生物也应该着重考虑。碳氢化合物在化学转化过程中聚集形成了碳的有机化合物，聚集常发生在已经存在的颗粒物上，之后它们牢固的与自然界中不同种类的颗粒物相混合，进入大气中，从而形成的一种气溶胶。硫酸和硝酸盐颗粒会导致在大气中散发含硫或氮尤其是它们的氧化物的化学过程的加剧。大气中颗粒的形成使它们形成了次生气溶胶。具体成分见表1污染源气溶胶量(10^6t/a)天然源认为源一次粒子燃煤产生飘尘36．0炼铁9．0木材燃烧8．0石油燃烧2．0垃圾燃烧4．0农业废物10．0水泥工业7．0其他16．0海盐粒子1000土壤粒子200火山4．0森林火灾200小计140492．0二次粒子H2S变成的硫酸盐202SO2变成的硫酸盐147NOx变成的硝酸盐43030NH2变成的铵盐269H气体变成的有机气体19827小计1099204总计2503296表12．3．2气溶胶的来源气—粒转化过程是大气气溶胶的一种重要来源，又可分为两类：一是均相成核过程，而是非均相异质凝结过程。成核过程包括均相均质成核和均相异质成核。前者是指单一分子组成的气相物质形成有分子组成的稳定的液相或固相胚粒。后者是指由多种分子组成的混合气体形成有两种或多种不同分子组成的液相或固相胚粒。非均相异质凝结过程是指气体分子在已有粒子表面上沉积、凝结造成的粒子长大过程。吸附吸附碰并成核作用大气微量气体—高挥发性的化学反应气相产物—低挥发性临界尺度核大气气溶胶系统混合—碰并气-粒转化流程示意图大气中最常见的气—粒转化现象使水汽的凝结和凝华，实际大气中总是存在足够的原生粒子拱饱和水汽在其表面沉积、凝结。气—粒转化的另一种途径是气相物质直接被固体或液体粒子吸收或吸附（与凝结不同，不发生相变），然后在粒子表面或粒子内部发生化学反应转化成异质液相或固相物质。与气—粒转化过程相反，大气中也会发生颗粒态固相或液相物质转化成气相物质的过程。例如，气溶胶粒子中的氯化物可与大气中的酸性物质发生反应生成氯化氢气体，这是气溶胶对降水酸度影响的重要机制之一。2．4气溶胶的寿命这一点对气候的影响很重要，寿命长的气溶胶对全球气候将有长期的影响。一般来说，温室气体的寿命较长。大气气溶胶粒子的平均寿命定义为大气气溶胶粒子在大气中的稳态总质量与粒子物质的总数如通量之比。区其他大气微量成分一样，寿命的定义只有在准静态的条件下才能完全确定。气溶胶粒子的寿命首先取决于它本身的化学组成和浓度谱分布，其次是其所处的高度和局地天气情况。吸湿性粒子容易成为凝结核，被云雾江水清楚的可能性较大，粒子寿命相对较短。直径在0.001—0.1μm范围内的趋细粒子很快通过布朗碰并转变成较大粒子。直径在0.1--10μm范围内的粒子主要靠降水冲刷和重力沉降作用清除，他们在大气中的寿命最长。降水也能加速大粒子的清除过程，使其寿命简短。所处高度和周围大气状态对气溶胶粒子的寿命影响也是显而易见的。除了直径在0.001—0.1μm范围内的极小粒子之外，所处位置越高，粒子沉降到地面所需时间越长，粒子寿命也越长。3气溶胶的运动过程及作用机制3．1气溶胶的运动的总体趋势从全球来说，气溶胶的运动是趋于集中的，这种趋势能在近几十年的阿尔卑斯山和两极的关于冰的档案中观察出。由于化石燃料的广泛应用，阿尔卑斯山上的冰中MSO4的含量增加了10倍。例如北非分布有矿石灰尘造成的云，这种现象被认为与一种大规模的气候指标有关——北大西洋涛动指数。矿物灰尘的沉积物被发现在南极冰盖的核心部分有所增加，这说明了在气候和矿物灰尘之间有一种重要联系，这种联系已被揭示。养分，如氮和一些小分子营养物质，如铁，能改变大范围生态系统的能量平衡。营养物质影响像遥远的海洋、沼泽地这样的生态系统是通过大气中的气溶胶的干湿沉积作用的。3．2气溶胶运动的机制3．2．1典型的垂直湍流扩散机制1扇形扩散:烟尘的扇形扩散是一种逆温层内部的典型的大气扩散特征。2熏烟型扩散：这种垂直扩散现象的典型状态发生在上午逆温辐射逆温消散的过程中。3环链型扩散：在温暖的季节，天空晴朗的中午前后，经常可以观察到这种效应。大尺度核4锥形扩散：发生于垂直温度梯度处于等温和绝热之间的情况下。5屋脊型扩散：发生在辐射逆温正在形成和加厚的期间。3。2．2气溶胶的水平运动a从陆地到海洋:陆源气溶胶可以被气流输送至数千公里之外。非洲撒哈拉沙漠的沙尘可被输送到欧洲和北大西洋。当中国西北地区发生沙尘暴时,在一定的气象条件下,黄沙可以进入中对流层而被气流向东输送,经过中国、韩国、日本,直到太平洋.化学物质到达海洋可以通过多种途径,在过去的20a中,人们逐渐感到大气也是陆地许多天然或人为污染物输入的重要途径。b从海洋到陆地：一般认为,空气动力学直径大于1μｍ的海气溶胶粒子在重力和湍流的作用下,其浓度会以指数形式衰减,所以海盐气溶胶在随海洋气团进入陆地的过程中会迅速从大气中去除,其空间尺度大约为10ｋｍ。4气溶胶对气候的影响4．1由于气溶胶造成影响的现象4．1．1由人为因素造成的气溶胶人类活动增加了大气气溶胶的含量，这些气溶胶包括硫酸盐颗粒和黑碳（煤烟），由于它们在大气中的寿命很短，分布具有不均衡性。由于硫酸盐颗粒将太阳辐射散射回外层空间，从而在一定程度上减缓温室效应。最近由于“洁净碳技术”和低硫燃料的利用，使得硫酸盐浓度逐渐降低，在北美这一作用更为明显，但也降低了其对温室效应的抵消作用。黑碳气溶胶是生物燃烧（森林火灾和秸秆焚烧）以及化石燃料不完全燃烧的最终产物，它们直接地影响太阳辐射的收支。4．1．2自然因素a初级的气溶胶的形成因素：火山灰和人为的煤烟在燃烧及之后的一小段时间内会形成初级的气溶胶。除了家中、交通和工业上的燃煤、油、气之外，在热带地区人为的燃烧生物也应该被着重考虑。b次生气溶胶的形成因素：碳氢化合物在化学转化过程中聚集形成了碳的有机化合物。聚集常发生在已经存在的颗粒物上，之后它们牢固的与自然界中不同种类的颗粒物相混合。硫酸和硝酸盐颗粒会导致在大气中散发含硫或氮尤其是它们的氧化物的化学过程的加剧。大气中颗粒的形成使它们形成了次生气溶胶。把所有这些情况汇总来看，由人为造成的气溶胶仅占全球气溶胶的10%，但是细小颗粒（如硫酸盐、碳化物）在吸收了煤烟之后在光学上的影响会变得很大。由于这种光学（和辐射）影响——在工业化地区，天空能见度也会降低，导致天空颜色由深蓝变浅蓝。另外，气溶胶还会改变云的构成和光学性质。这种影响被发现会对地球的热辐射有消极作用，气溶胶颗粒是云的凝结核，大量的小气溶胶颗粒将导致云中的水分散到更多更小的云滴中。小云滴能分散更多的入射光，气溶胶能直接引起大气层的降温。然而煤灰和大量的矿石灰尘将吸收热和辐射并且有将能量挡在低空大气的潜在能力。4．2气溶胶对气候的直接与间接辐射强迫4．2．1气候变化与辐射强迫气候变化由地—气系统的辐射平衡状况决定。气候可以因太阳短波辐射及地—气系统长波辐射的变化而变化。辐射强迫的标准定义是大气中某一成分的改变所引起对流层顶净辐射通量（Fo）的变化(以W/m2为单位)。气溶胶粒子对气候系统的辐射平衡有重要影响。气溶胶对气候的影响可分为两大方面,即直接辐射强