清华大学团队建立使用天然离子荷电测量大气颗粒物粒径谱的观测网络
- 2024/4/17 16:15:13 15503
- 来源：清华大学
【仪表网 研发快讯】近日，清华大学环境学院郝吉明院士和蒋靖坤教授团队在大气颗粒物测量领域取得了新进展。团队使用自主研发的科学仪器，联合多家合作单位，在北京、上海、深圳、武汉、珠海、昆明等地建立了同步在线测量大气气溶胶粒径谱的观测网络。新仪器采用大气离子对气溶胶的天然荷电过程代替了传统的人工荷电，提升了大气颗粒物粒径谱测量的准确性，显著降低了观测成本。相关数据有助于促进对大气颗粒物理化特性、气候效应和健康影响等方面的认知。
大气气溶胶的粒径分布是决定其气候效应和健康影响的关键参数，长期监测并获得大气颗粒物粒径谱数据具有重要意义。世界气象组织和世界卫生组织均建议开展相关监测工作，美国和欧洲已经建立了一些观测网络。现有测量气溶胶的电迁移率粒径谱仪使用人为荷电器产生离子对气溶胶进行荷电，并假设气溶胶的荷电分布是固定不变的。然而，在长期大气观测中，荷电离子的性质会发生变化，进而导致气溶胶荷电分布的变化，偏离所假设的固定值。并且，这些变化不能被现有观测网络所用仪器获知和记录，这给粒径谱测量结果带来了无法追溯的不确定性。
团队前期研究提出了新的测量思路，将目前仅测量带单一极性电荷的气溶胶改为同时测量带正电和负电的气溶胶，使用团队新提出的数据分析方法，进而实现实时追踪离子性质和气溶胶荷电分布的变化，提高粒径谱测量的准确性。因为宇宙辐射和放射性元素衰变导致的离子化，大气环境中本来就存在大量的天然离子，它们不断地调节着气溶胶的荷电分布。团队使用新的测量思路证明，这一天然荷电过程可被用来替代传统的人工荷电测量气溶胶粒径分布。
团队自主研发了使用新测量思路和数据分析方法的双极电迁移率粒径谱仪，同多家单位合作，在北京、上海、深圳、武汉、珠海、昆明等地建立了同步在线测量大气气溶胶粒径谱的观测网络，自2023年4月起开始持续运行。这些新仪器使用大气离子对气溶胶的天然荷电代替了传统的人工荷电，并建立了一套包含实验室标定、外场观测比对、数据反演与验证的质控体系，同时显著降低了观测网络的建设和运行成本。
图1.自主研发的双极电迁移率粒径谱仪实物图和观测网络站点情况
所建立的观测网络持续获得了各地的10-700纳米大气颗粒物粒径分布，与大气颗粒物总数浓度观测结果的比较验证了粒径谱测量结果的准确性。各站点所用的双极电迁移率粒径谱仪实验室标定结果和大气外场比对结果一致性好。同时，该研究发现在六个大气站点的长期观测中，天然离子性质比较稳定，证明了这些站点的天然荷电过程可用于其气溶胶粒径分布的测量。各站点的气溶胶粒径谱呈现出不同的日变化规律。其中，北京、上海和武汉三个城市站点的气溶胶数浓度显著高于深圳、珠海和昆明的三个郊区站点，这也反映了城区人为活动对大气气溶胶的影响。
图2. 各站点大气气溶胶粒径分布强度图
该研究成果以“使用天然离子荷电测量大气气溶胶的双极电迁移率粒径谱仪观测网络”(A bipolar SMPS network for measuring atmospheric aerosols using natural air ions)为题发表于《大气环境》(Atmospheric Environment)。
环境学院2019级博士生李怡然为论文第一作者，指导教师为郝吉明院士和蒋靖坤教授，蒋靖坤为论文通讯作者。论文合作单位包括北京大学、上海市环境科学研究院、上海市环境监测中心、武汉大学、哈尔滨工业大学(深圳)、中山大学和昆明理工大学。研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。
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