大氣渾濁度

大氣渾濁度是表徵懸浮在大氣中各種固態質粒、液態小滴對太陽直接輻射削弱的特徵量，其大小可以表示大氣氣溶膠的一些特性。 ^[1] 

大氣渾濁度是表示大氣中氣溶膠含量的大氣光學參數，常用來檢測空氣污染的狀況，實際上空氣污染給人們最直接的印象就是空氣變得渾濁不清，能見度大大降低，吸入困難等。隨着工業化的進程，大氣環境污染越來越嚴重，特別是近幾十年來，人們燃燒產生的煙霧及土地開墾引起風濁等原因，大氣中的粗粒物質（氣溶膠）迅速增加，影響了人們生活環境的同時，也會影響地球地氣系統的反射率，改變了大氣輻射的收支情況，就可能會引起全球性的氣候變化，因此近些年來受到了各個國家的關注。

大氣渾濁度T的定義有兩種：①鉛直氣柱中氣溶膠的光學厚度；②鉛直氣柱中實測氣溶膠與分子消光的總光學厚度τ與分子消光的光學厚度之比，即T=τ/τm，林克渾濁因子（F.Linke於1922年提出）即屬此範疇。如要使太陽輻射在分子大氣中的消光與實際大氣中的總消光相等，則分子大氣質量必須增大L倍，這裏L 就為林克渾濁因子。鉛直氣柱中氣溶膠含量越大，大氣渾濁度也越大。

大氣渾濁度是表示大氣中氣溶膠含量（不包括雲霧粒子）的大氣光學參數，常用來監測空氣污染的狀況。由於大氣氣溶膠的增加影響到地氣系統的熱平衡，有可能影響到全球長期的氣候狀況，因此近年來受到各國的關注。 ^[2] 

大氣氣溶膠是指大氣與懸浮在空氣中的固體和液體微粒共同組成的多相體系，其粒子的直徑一般是在0.001um到10um範圍之間。有些氣溶膠粒子對於人類是有害的，例如有毒化合物氣溶膠，它包括致癌物質多環芳香烴、甲醛等。經專家長期的研究表明，10um以下的微粒可以被吸進入鼻腔，7um以下的微粒可以進入咽喉，而小於2.5um的微粒則可以直接被吸入人體肺部，深入肺泡並沉積在其中，進而進入人體血液的循環系統，能夠對人們的健康造成很大的致命傷害。近幾十年以來，呼吸系統疾病的增多、很多人體肺部功能的下降、逐年增加的死亡率、癌症尤其是肺癌的高發率與空氣中氣溶膠粒子濃度的含量上升存在着密不可分的關聯，這些氣溶膠粒子不僅嚴重影響及危害了人們的身體健康而且也致使了環境狀況的日益惡化。

人類日常生活及生產活動向大氣中排放大量氣溶膠粒子包括有硫酸鹽、硝酸鹽氯化物、少量的有機酸等化學物質及部分煤炭粉塵微粒，它們是都是形成酸雨的重要原因川。

1999年，有6200萬美國人居住區域的空氣中山於至少含有六種主要的污染物之一而對健康不利；1952年12月，在英國倫敦發生的煙霧事件，在6天內就造成大約4000人死亡，並且歷年多次發生，死亡人數近萬，其主要原因就是大氣中的氧化鐵和二氧化硫粉塵含量的嚴重超標，導致了硫酸的形成。 ^[3] 

（1）大氣渾濁度隨時間和地理位置而變化。一般夏季高於冬季，下午高於上午，並在夏季中午前後達最大值，冬季日變化較小。

（2）在北半球，從高緯度地區向赤道，大氣渾濁度可增加約1～2倍，冬季增加的幅度最大，這和濕度增大以及氣溶膠消光效應增強有關。其變化規律對於研究大氣氣溶膠的分佈和輸送、墾荒的氣候效應、大氣污染及全球輻射平衡過程都有一定價值。

（3）能表徵懸浮在大氣中各種固態質粒、液態小滴對太陽直接輻射削弱的特徵量。

（4）高的大氣渾濁度不僅嚴重影響及危害了人們的身體健康而且也致使了環境狀況的日益惡化。

氣溶膠濁度的檢測不僅在人們日常生活中能夠起到重要的作用，在環境保護及安全生產中也具有十分重要的意義。近十幾年來，山於相關科學技術的深入發展，氣溶膠濁度或微小粒子的測量手段及技術已經得到了較好較快的發展，並且已經發展為一種獨特的科學研究方向。目前，很多基於激光檢測的氣溶膠濁度的檢測裝置或儀器已經被研究及生產出來，在各個領域發揮着重要的作用。

經過國內外有關領域的專家學者們的多年研究及開發，生產及開發出來多種測量氣溶膠的方式或方法，而氣溶膠濁度的表示方法也不盡相同，但總體上大致可分為以下：取樣法及非取樣法。

1、取樣法

取樣法就是從待測氣溶膠氣體中抽取一部分具有代表性的含氣溶膠粒子的樣品，傳統的取樣測量即濾膜稱重法，利用現有的各種微粒粒度分析儀對所過濾或分離的樣品進行粒度分析，送入相關檢測或測量儀器來得到待測氣溶膠的濁度。而被過濾下來的樣品也具有一定的作用，利用各種粒度測量及其他相應的檢測分析裝置一起進行分析，可進一步得到粒子的平均粒徑、粒徑分佈及相應的物理特性及化學成分組成等。

從原理上説，取樣法無疑是最簡單且容易操作的，利用取樣法可以得到較可靠的測量結果，所以在一些國家它一直被沿用至今，一直以來都被看作為測量的標準方法。

（1）β射線法採用盧射線作為信號的友射揀，它是一種非稱重法，其測量原理為：當β射線穿過氣溶膠微粒時，由於介質的阻礙作用，刀射線會在原來的基礎上發生一定程度的衰減，通過測量刀射線穿過介質氣體後的衰減程度，可以得到待測氣溶膠氣體對應的渾濁度。

利用β射線測量氣溶膠粒子濃度所得到的結果，一定程度上決定於氣溶膠的化學成分和分散度組成。一種山德國學者研製成功的測量儀原理為：氣溶膠氣體通過濾膜時，由於濾膜的阻礙作用，氣體分子可以順利通過濾膜，而粒徑較大的氣溶膠粒子則被過濾在濾膜上，一段時間以後，裝置帶動濾膜移動並使被過濾的氣體樣本進入測量室，射線經發射源射出後，經過被測介質衰減並被介質吸收，根據射線衰減的程度可以確定樣品的相應質量，進而得到待測氣體的濁度。β射線法測量濁度的儀器中使用了發射性同位素，需要對粉塵進行過濾後再檢測，且測量結構較複雜，操作較複雜繁瑣。

（2）壓電振動法是另一種使用較多的非稱重法。由於壓電材料在不同質量情況下，其受迫振動頻率不同，壓電振動法就是利用這一特性而研製出來的。利用壓電材料在附上氣溶膠介質後質量改變而引起壓電振動頻率改變來測量氣體濁度。德國柏林工業大學學者發明了一種利用壓電振動法測量氣溶膠濁度的測量裝置，它在結構上與刀射線法檢測裝置有些類似，當待測氣體通過過濾帶時，粒子無法通過過濾帶，會被過濾在過濾帶上，從而會一導致山壓電材料製成的帶子的質量發生變化，相應的就會引起壓電振動頻率的改變，進而能夠得出對應的氣溶膠濁度。與刀射線法一樣，壓電振動法也需要取樣過程。

（3）取樣法具有下列優點：

取樣法測量原理較簡單，在使用情況良好的條件下能夠得到較可靠的測量結果;取樣法除了能測量絕對濃度及粒徑大小外，山於在檢測過程中取得了氣溶膠粒子的樣品，對此還可以進一步分析粒子的物理特性及化學成分，對保護自然環境及保障人們生產生活的安全具有十分重要的意義。

（4）取樣法的缺點：

①操作要求較高，在無法保證等速採樣的條件下，會給測量結果帶來很大的誤差和影響，而即使滿足了等速採樣的測量條件，待測氣體在傳輸過程也會發生損失，這是系統設計過程中無法避免的，從而導致測得量結果不準確；

②測量時間太長，無法實現在線實時監測；

③取樣法為點測量，要獲得整個待測氣體的平均值，不可只取氣體中的某一部分進行檢測，必須在經過多點測量後做平均算法，得到測量的平均值，這無疑增加了作業的工作量；

④管道中的氣體會具有一定的流速及壓力，有時還具有較高的温度和濕度，在高濕度及高温度條件下測量及採樣要複雜很多。

2、非取樣法

非取樣法就是測量時無需取樣，測量原理較取樣法複雜很多，它是利用微粒的物理、光學特性直接測量氣體的氣溶膠濁度，包括黑度法和光學測量法。

（1）黑度法

黑度法主要是用在測量煤煙氣溶膠的濁度上，黑度法是法國科學家林格曼在一九世紀末提出來的，故也可稱之為林格曼法，黑度法測量結果會受到很多人為因素及環境方面等因素的影響，並且很難用於在線監測。

（2）光學測量法

光學測量法包括光散射法及光透射法。

光散射法是目前國內外應用較為廣泛的一種測量氣溶膠濁度的方法。通過測量氣溶膠顆粒經光照後所散射出的光信號強度來測量待測氣溶膠的濁度，待測氣體濁度越高，散射光強越強。設計者根據瑞利散射理論及Mie散射理論能夠設計出相應的光學測試儀，利用這一原理製成的測試儀，在待測氣溶膠濃度較低時具有良好的測量效果。

光透射法是利用光線通過待測量介質時，山於待測顆粒的吸收及散射作用，使輸出光強發生衰減的原理來測量氣溶膠濁度的。光透射法區別於光散射法的地方在於前者是測量透射光，而後者是測量散射光。光學測量法在測量過程中能夠實現完全自動化，不需要經過採樣就可進行測量，保證了測量的實時性及可靠性，不僅能提高測量效率，同時也節省了大量的人力物力。根據光吸收現象設計出的透射法光學測量儀，一般用於待測濃度較高的場合。

3、取樣法和非取樣法的比較

非取樣法相比於取樣法最大的優點就是能夠實現在線測量，能夠在線實現氣溶膠濁度的檢測，只有實現了在線測量，才能滿足日趨嚴格的空氣質量標準監測要求，通過網絡將各監測點在線數據傳送至監控分析中心，實現環保監測的在線化及網絡化。特過網絡將各監測點在線數據傳送至監控分析中心，實現環保監測的在線化及網絡化。特別在一些工業場合，在線測量能夠極大程度上減輕工一山於煙塵氣溶膠濁度過高而引起的災害，對人民的生產生活提供了極大的保障。但非取樣法也同樣存在一些缺點，例如當待測氣溶膠的分散度和其他性質發生變化時，會對測量結果造成一定的影響，在實際測量中，也需要標定後才能使用。

山上述可見，為了對地質、化工等工業企業中的煙塵氣溶膠實現檢測，最好的方法就是非取樣法，它具有測量週期短，自動化程度高，測量精度高等優點。它能夠提供實時的氣溶膠濃度監測數據，一旦檢測數據高於預設值，可以設定發出警報，關閉生產機器設備等措施，從而能夠達到保護人民生產安全及保護現場設備的作用。

在很多場合，大氣氣溶膠的濁度檢測都可以發揮相當重要的作用。

（1）通過對企業排放氣體的濃度檢測，能有效的降低工業粉塵的無處理排放，提高空氣質量。

例如，鐵合金行業工業廢氣中顆粒物，粉塵粒徑的範圍一般在0.1um到50um之間，其中直徑在0.5um至5um的粉塵對人體危害最為明顯，以2008年全國第一次污染源普查產排污係數核算項目為契機，研究調查組通過調查與測試發現，因為我國鐵合金行業發展的不均衡，各企業在裝備水平、管理能力、環境保護投入等方面相差較大，特別是許多中小企業在日常生產時，無組織排放現象非常的嚴重，企業對無組織排放處理措施不到位，大量的工業粉塵未經過處理被直接排放進入大氣，這極大的影響了人們的日常生產和生活。相關環保部門可以通過對企業排放氣體的濃度檢測，能有效的降低工業粉塵的無處理排放，提高空氣質量。

（2）煤炭粉塵是一種危害性很大的粉塵，不僅會誘發塵肺病，在遇到明火時也是導致礦井爆炸的重要原因，通過檢查可以有效的防治其帶來的危害。

另一方面，我國是一個產煤大國，擁有極其豐富的煤炭資源，在總能源的消費構成中，煤炭的含量約在75%，山於目前國內科技水平的落後，風能及核能等這些環保型資源還未得到全面的推廣和使用，且這一狀況在未來一段時間內不會發生太大的變化。礦井下的各個作業點在作業過程中，會產生大量的煤炭粉塵，煤炭粉塵是一種危害性很大的粉塵，不僅會誘發塵肺病，在遇到明火時也是導致礦井爆炸的重要原因。要保證煤炭企業井下安全及有效的生產，採取有效的防治及檢查措施是一項重要課題，井下各個作業點的粉塵氣溶膠濁度的監測，就是正確評估粉塵防治措施的重要手段。 ^[3] 

（1）六十年代赤道地區四次火山爆發，特別是阿貢火山大爆發導致我國各地六十年代中期大氣渾濁係數的普遍增加，在秋冬季尤甚。

（2）北方各站較多地受到阿貢火山爆發的影響，秋冬季節渾濁係數的最大值出現在1963—1965年；南方各站較多地受到費爾南濟那火山等幾個較小爆發的影響，秋冬季節渾濁係數的極大值出現在1968年和1965—1966年。到六十年代末期，當北方各站大氣透明度已恢復到最佳水平時，南方各站仍維持比阿貢火山爆發前為高的渾濁度，説明平流層氣溶膠傳播的緯度效應。

（3）由於平流層氣溶膠濃度反常，各地的最大渾濁月份跟正常年份相比可能有位移。例如，在火山活動年代，哈爾濱的最大渾濁常出現在2—4月，北京在3—5月。二連、南京、廣州位移少，但二連1964與1965兩年7、8月次極大值的顯著退縮與1963年這個次極大值的顯著增長為最大值，都跟平流層氣溶膠變化有很大關係。南京1966年3月和廣州1968年9月這兩個位移了的極大值，都明顯地跟火山活動有關。 ^[4] 

（1）青藏高原地區大氣渾濁度係數的日變化過程中，冬夏兩季日變幅較小，分別是0.020和0.03。冬季的變化略呈“v”型，早晚大，中午小；夏季變化分兩種類型；受人類活動影響較大的高原中部地區變化呈雙峯型，上午和下午各有一次高峯值。其餘地區為單峯型。高原東部大氣渾夥度係數較西部大，但變化比較穩定。高原西部早晚小，中午較大。

（2）青藏高原地區大氣渾濁係數的季節性變化也很明顯，春季最大，秋季次之，夏秋兩季數值較小。

（3）青藏高原主體地區大氣渾濁度係數偏小，一般小於0.10，説明高原地區空氣潔淨。人類活動集中地區陣較大，沙漠或荒漠地區日也大。 ^[1]