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出版者:

作者:Colbeck, Professor Ian 編

出品人:

頁數:272

译者:

出版時間:2008-4

價格:£ 80.00

裝幀:

isbn號碼:9781405139199

叢書系列:

圖書標籤:

• Aerosol Chemistry
• Environmental Chemistry
• Atmospheric Chemistry
• Air Pollution
• Particulate Matter
• Environmental Science
• Chemical Kinetics
• Analytical Chemistry
• Climate Change
• Trace Elements

大氣化學前沿：氣溶膠的形成、轉化與環境效應 導論：全球變化背景下的氣溶膠科學 本書深入探討瞭當代大氣科學中最具挑戰性與前沿性的領域之一——氣溶膠的復雜化學過程。氣溶膠，作為懸浮於大氣中的固體顆粒物和液滴的集閤體，在全球氣候係統、區域空氣質量乃至生態健康中扮演著至關重要的角色。它們不僅直接影響地錶接收到的太陽輻射（輻射強迫），還通過影響雲的形成和生命周期，間接調製瞭氣候的走嚮。同時，氣溶膠源於自然過程與人類活動，其化學組成的多樣性決定瞭其在環境介質中的行為軌跡。 本書旨在提供一個全麵、深入且係統化的知識框架，涵蓋氣溶膠的物理化學性質、來源解析、復雜的室內外轉化機製，以及它們對氣候變化和環境健康産生的多尺度效應。我們聚焦於過程導嚮的研究，強調從分子層麵到區域尺度的物質循環與能量傳遞。 --- 第一部分：氣溶膠的物理化學基礎與錶徵技術 本部分奠定瞭理解氣溶膠化學的基礎，詳細闡述瞭氣溶膠顆粒的物理特性及其定性定量分析方法。 第一章：氣溶膠的形態學、粒徑分布與錶麵化學 氣溶膠的物理性質是決定其大氣壽命和環境效應的關鍵因素。本章詳細分析瞭不同粒徑區間（如<0.1 $mu$m的凝核態、0.1-1.0 $mu$m的纍積態、>1.0 $mu$m的粗顆粒態）對大氣輸送的影響。重點討論瞭顆粒物的形貌學（Shape Factor）對光散射和沉積效率的調製。 深入探討瞭錶麵活性的重要性。由於氣溶膠顆粒具有極高的比錶麵積，其錶麵的官能團（如羧基、羥基、硝酸根等）直接決定瞭它們作為異相反應位點的潛力。我們引入瞭吸附理論，特彆是Langmuir和BET模型在分析低濃度揮發性有機化閤物（VOCs）在顆粒物錶麵的吸附-脫附平衡中的應用。 第二章：先進的氣溶膠監測與錶徵技術 現代氣溶膠化學研究依賴於精密的監測手段。本章係統介紹瞭當前最前沿的在綫監測技術。 首先，對光學儀器進行瞭詳盡的討論，包括Aethalometer（黑碳測量）、Nephelometer（氣溶膠散射係數）以及利用Scattering-Absorption Correlation for Determining Aerosol-Cloud Interactions (SACADA) 等方法對氣溶膠光學性質的實時反演。 其次，聚焦於化學組分分析。詳細闡述瞭基於顆粒物熱解和質譜分析的儀器，如Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) 及其高分辨率版本（HR-ToF-AMS）。該技術如何實現對有機氣溶膠（OA）、硫酸鹽、硝酸鹽和銨鹽的實時、無偏好性（mass-independent）的定量分析，是當前有機氣溶膠研究的核心工具。此外，也涵蓋瞭對痕量金屬和生物標誌物的采樣與分析方法（如ICP-MS）。 --- 第二部分：氣溶膠的形成機製與化學轉化路徑 本部分是全書的核心，聚焦於氣溶膠在復雜大氣環境下的動態演化過程。 第三章：新粒子生成（Nucleation）的驅動力與機製 氣溶膠的初始形成是大氣化學循環的第一步。本章區分瞭初級氣溶膠（直接排放）和次級氣溶膠（大氣化學轉化生成）。 重點解析瞭氣體-顆粒物相變的理論基礎，包括飽和蒸汽壓、Kelvin效應和Raoult定律在凝結過程中的應用。詳細探討瞭當前主要的成核機製： 1. 純凝結成核 (Condensation Nucleation)：基於酸性氣體（如硫酸、硝酸）的自發聚閤同。 2. 簇閤物成核 (Cluster Nucleation)：特彆強調二級胺和含氧有機分子（HOMs）在低揮發性、高極性分子簇形成中的關鍵作用，這是理解現代城市和森林排放區域PM$_{2.5}$增長的主流觀點。 3. 離子中和機製 (Ion-Mediated Nucleation, IMN)：探討大氣電荷（如宇宙射綫或雷電産生的離子）如何降低成核能壘，尤其在對流層上部和極地大氣中的重要性。 第四章：氣溶膠的化學反應動力學與機製 氣溶膠顆粒並非惰性的載體，而是活躍的反應平颱。本章深入研究瞭發生在顆粒物錶麵的異相反應和液相反應。 異相氧化反應：分析瞭臭氧（O$_{3}$）和羥基自由基（$cdot$OH）對顆粒物錶麵有機物（如多環芳烴、脂肪酸）的氧化反應速率常數和産物分布。引入瞭錶麵催化效應，例如過渡金屬離子（如Fe$^{3+}$, Mn$^{2+}$）對氧化還原循環的促進作用。 液相反應（濕化學）：重點討論瞭顆粒物內部水膜中發生的反應。例如，$ ext{SO}_2$ 在液態硫酸鹽液滴中的溶解和氧化生成硫酸鹽（酸雨形成的前體過程）。探討瞭光化學過程在氣溶膠液相中的作用，如硝基取代和自由基的産生。 第五章：有機氣溶膠（OA）的復雜性：生成、老化與揮發性 有機氣溶膠是PM$_{2.5}$中占比最大的組分之一，其復雜性源於數韆種源自生物質燃燒、交通排放和VOCs氧化的物種。 本章引入瞭有機氣溶膠的“老化”概念：即初級排放的有機物在光照、氧化劑作用下，其氧化程度（O/C比）和平均分子量如何逐步增加的過程。詳細解析瞭氧化性有機氣溶膠（OOA）的生成機製，這通常通過胺氧化、HOMs的低擴散和高氧化性所驅動。 此外，重點研究瞭熱力學平衡對OA濃度的控製。討論瞭低揮發性有機化閤物（LVOCs）通過“蒸發-凝聚循環”（$ ext{VOC} ightarrow ext{Oxidation} ightarrow ext{LVOC} ightarrow ext{OA}$）對顆粒物質量的貢獻，以及如何通過傳質速率限製瞭其去除。 --- 第三部分：氣溶膠的環境效應與區域輸送 本部分將研究成果應用到對全球氣候和區域空氣質量的具體影響評估中。 第六章：氣溶膠對輻射平衡與氣候的調控 氣溶膠對氣候的影響主要通過直接效應和間接效應實現。 直接效應：係統分析瞭氣溶膠輻射強迫（ARF）的計算方法。區分瞭散射型氣溶膠（如硫酸鹽）對入射太陽光的反射作用，以及吸收型氣溶膠（如黑碳，BC）對熱量的吸收作用。深入分析瞭BC的吸收效率（掛載效應），即當BC包裹在非吸收性基質中時，其吸收能力的增強程度。 間接效應：這是氣候效應中不確定性最大的部分。詳細闡述瞭雲凝結核（CCN）和冰核（IN）的形成過程。探討瞭不同化學組成的顆粒物（特彆是有機物和礦物塵埃）對雲滴譜的譜形影響，進而改變雲的反照率和降水效率，最終影響地球輻射預算。 第七章：大氣沉降與生態化學通量 氣溶膠通過乾沉降和濕沉降將大氣中的物質轉移到地錶生態係統。 乾沉降：分析瞭顆粒物的慣性碰撞、擴散和重力沉降機製如何隨粒徑和地錶粗糙度變化。重點討論瞭礦物粉塵（Mineral Dust）的區域和跨大陸輸送，以及其作為鐵、磷等營養物質的載體，對海洋和森林生態係統的生物地球化學循環的貢獻與潛在影響。 濕沉降：研究瞭雲和降水對氣溶膠的洗滌效率。分析瞭洗滌過程（Washout）的參數化模型，以及如何通過降雨速率和顆粒物溶解度來預測地錶沉積速率。 第八章：區域輸送模型與源解析 為瞭進行有效的空氣質量管理，必須準確識彆和量化汙染源。本章側重於化學傳輸模型的應用。 介紹瞭正嚮模型（Forward Modeling）如何基於排放清單和化學機製來預測氣溶膠的濃度和分布。更重要的是，深入探討瞭反嚮模型（Receptor Modeling），特彆是正嚮矩陣分解（PMF）方法。該方法如何利用高時間分辨率的AMS數據，從復雜的化學混閤物中分離齣關鍵的源特徵（如交通源OA、生物質燃燒OA、二次無機氣溶膠等），為製定精準的減排策略提供科學依據。 --- 總結與展望 本書最後總結瞭當前氣溶膠科學麵臨的關鍵挑戰，包括：對低揮發性有機物（HOMs）生成機製的精細化刻畫、復雜混閤物（如黑碳、礦物塵與有機物）的多相相互作用的量化，以及如何將高精度的微觀過程參數化，納入到更大尺度的氣候模型中，以減少氣候預測的不確定性。本書為相關領域的研究人員、環境工程師和政策製定者提供瞭深入理解氣溶膠化學演變及其環境影響的權威參考。

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