[發明專利]利用光-熱法測量大氣氣溶膠吸收系數的新方法

有效

• 申請號: 201210570579.6
• 申請日: 2012-12-25
• 公開（公告）號: CN103048285A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 李學彬;宮純文;朱文越;高亦橋;徐青山;魏合理
• 申請（專利權）人: 中國科學院安徽光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明涉及氣溶膠微物理特性測量領域，具體涉及一種利用光-熱轉換法測量大氣氣溶膠吸收系數的新方法，它可以實時測量大氣氣溶膠吸收系數。

背景技術

氣溶膠是大氣物理化學過程中的一個重要因素，大氣科學的很多領域都與氣溶膠有關。大氣氣溶膠粒子的存在直接影響了光在大氣中的傳播，造成光在大氣中的衰減。大氣中氣溶膠粒子對光的散射和吸收特性是影響光傳播的主要因素之一，氣溶膠粒子的吸收系數（折射率虛部）是決定大氣氣溶膠吸收特性的重要參數，在大氣輻射收支平衡中起著重要的作用，氣溶膠輻射強迫效應的正負在很大程度上取決于其吸收系數的大小。氣溶膠粒子對光的吸收，還造成了大氣中一些氣溶膠粒子間以及氣溶膠粒子和氣體間的光化學反應，產生了很多尚不可測的影響。而氣溶膠的吸收系數直接反映了碳氣溶膠的污染程度，?況且氣溶膠吸收系數在研究氣候變化、衛星遙感和顆粒物污染等方面是不可獲缺的參數。因此，研究實際大氣氣溶膠吸收的測量方法有著重要的科學和應用價值。

大氣中的氣溶膠粒子主要集中在近地面邊界層內，由于地理位置、環境和氣象條件的變化，氣溶膠的化學成分較為復雜，由于除含有沙塵、礦物質、煙灰、瀝青和煤煙等成分外，還常含有硫酸鹽、硝酸鹽、硅酸鹽和碳酸鹽等。不同地區氣溶膠基本微物理參數特別是氣溶膠吸收系數的時空變化差異很大，因此，許多研究人員對氣溶膠粒子吸收系數的測量方法進行了研究。目前，直接測量氣溶膠吸收特性的方法還不多，對于氣溶膠粒子吸收的測量，是一個重要而又很難解決的問題。因此研究測量大氣氣溶膠吸收系數的方法是一項很有意義和迫切需要的工作。

氣溶膠粒子對光的吸收系數很小，典型值為?10?^-?3?～10^?-?6?m^-1，它對光吸收的同時總伴有對光的散射，測量時一般不能很好地消除散射的影響，導致準確測量氣溶膠粒子對光的吸收系數極其困難。目前，關于氣溶膠對光的吸收及折射率虛部的測量已有很多報道，對氣溶膠吸收系數的測量方法可以簡單概括為三類：（1）測量氣溶膠粒子吸收光的能量后產生的聲波來確定粒子的吸收系數即光聲光譜法。當氣溶膠受到調制或脈沖光照射時，氣溶膠粒子吸收光產生熱，熱量傳給空氣，從而產生聲波。麥克風輸出的電壓與聲壓成正比，聲壓與氣體吸收的熱量成比例，即間接與光吸收系數成比例。散射光不產生熱量，它對聲波的產生沒有影響，所以光聲法很成功地消除了散射光對光吸收系數測量的影響。光聲法系統的結構簡單，但受腔的熱損耗、粒子的濕度等因素的影響較大。（2）測量直接采樣得到的氣溶膠粒子樣品的吸收系數，如積分片法和采樣光度計法。以采樣光度計法為例，采樣光度計(Sampling?Photometer)用濾膜采集大氣氣溶膠粒子，并用光纖傳感器監測濾膜的反射光。隨著濾膜上大氣氣溶膠粒子的增多，反射光強逐漸減弱。大氣氣溶膠粒子的吸收系數σ_a由公式給出：

σ_a=(Area/Vol)·ln(Rf₀/Rf)·C

式中Area為濾膜面積，Vol為采集空氣的體積(m³)，Rf₀為第i個周期濾膜的反射光強，Rf為第i+1個周期濾膜的反射光強，C為校正系數。這一測量方法是基于激光傳輸理論的基礎上，根據激光傳輸理論對于沉積在漫反射基片上的吸收粒子，激光傳輸僅對吸收敏感。在漫反射基片上聚集的粒子隨時間的增加而增加，信號光的衰減與聚集粒子的厚度成正比，即光的衰減是氣溶膠粒子累積吸收的結果。通過信號光和參考光以及對氣流速度的分析便可得到吸收系數。由于該方法在測量中改變了氣溶膠粒子的自然懸浮狀態，濾膜收集到的粒子的光學特性可能與實際大氣中情況有所不同。還有，該方法忽略了多次散射效應和后向散射以及一些界面反射等的影響，這些都可能會造成較大的測量誤差。（3）碳元素法。測量碳元素，因為元素碳是大氣氣溶膠中的主要吸光物質，所以可通過測量氣溶膠中元素碳的含量來研究氣溶膠的吸收特性和吸收系數，而元素碳濃度法需要對氣溶膠元素碳濃度的精確測量，需要知道元素碳的質量吸收效率并確定元素碳是被測氣溶膠中唯一有意義的吸收成分。

本發明利用光-熱法測量大氣氣溶膠吸收系數的測量方法，基于光與粒子相互作用，粒子吸收光產生熱效應，粒子散射光不產生熱量等特點，某一波長的光在充滿氣溶膠的絕熱玻璃管中傳輸，氣溶膠粒子對光的吸收效應可以通過玻璃管內的溫度傳感器測量得到；本發明直接測量粒子對光的吸收效應，測量過程中不改變粒子的懸浮狀態，測量中有效扣除了空氣分子吸收的干擾，可以對大氣氣溶膠進行連續的實時在線測量。