大气气溶胶粒子折射率虚部反演方法研究

　　0　引言

　　大气气溶胶对气候变化有重要的直接或间接的影响,通过气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射,直接改变地气系统的能量收支.折射率m=nr-ini是大气气溶胶粒子的重要物参数.折射率实部nr主要与光散射有关,而折射率虚部ni主要与光吸收有关,是大气气溶胶吸收特性的一个重要参数.它决定了大气气溶胶在辐射和气候效应中的作用是加热还是冷却.由于在实际大气中气溶胶粒子化学成分的不同导致ni的变化范围相当大.折射率的测量方法大体上可以分为三类.第一类是测量直接取样得到的气溶胶粒子样品的吸收系数,滤膜取样方法[1-2]和元素碳浓度法[3]就是常用的一种方法,它简单易行,但由于测量中改变了粒子的悬浮性,所以测量结果的误差较大.第二种方法是光声方法[4]测量灵敏度高,但要求的设备和技术都较复杂,还不能广泛地用于测量.第三类方法是反演法[5-6],例如测量气溶胶的谱分布和散射系数、吸收系数,通过Mie散射理论可以反演出气溶胶粒子的平均折射率.本文所提出的方法就是反演法.

　　针对气溶胶折射率在分析其光学特性中的重要性以及直接测量气溶胶折射率存在的困难,本文使用两种不同原理的仪器同时测量气溶胶的谱分布,利用折射率对它们测量结果影响的差异来反演气溶胶折射率,最后还与黑碳仪的测量结果进行了对比.

　　1　仪器和测量原理

　　1.1　APS3321气溶胶粒度仪

　　APS3321气溶胶粒度仪采用双束激光的空气动力学粒径测量方法测量气溶胶粒子的粒径,如图1.这种方法使用两束连续激光,两激光束之间相距一定的距离d,将这两束激光平行并垂直于粒子飞行路径的轴线照射到沿着轴线飞行的气溶胶粒子上,粒子与激光束碰撞产生的散射光分别被两个光电倍增管(Photo Multiplier Tube, PMT)接收,

　　PMT产生的电信号经过放大和整形,再输入设计好的时标电路,通过该时标电路就可以测出气溶胶粒子在这两束激光间飞行所用的时间,由此即可计算出粒子的飞行速度.而气溶胶粒子的飞行速度与其粒径大小是紧密相关的,气溶胶粒子束在发生绝热膨胀过程中,由于气溶胶粒子惯性的不同,气溶胶粒子将获得一个速度分布(一般在几百m/s的数量级),较小的粒子获得较大的速度,而较大的粒子获得较小的速度.利用这个性质,先用已知粒径的标准粒子得到粒子飞行速度与粒径大小之间关系的定标曲线[7-8](图2),有了此定标曲线,只要测出待测气溶胶粒子的飞行时间即可得到该粒子粒径的大小.这种方法因不受气溶胶粒子本身所固有的性质如折射率、非球型等因素的影响,从而大大提高了粒子粒径测量的精度.