研究萬億分之一級(jí)的氨含量對(duì)成核過程的影響

 

引言

 

氨在大氣化學(xué)中具有重要的作用，主要表現(xiàn)在其可與各類酸反應(yīng)形成氣溶膠，并且促進(jìn)了新顆粒進(jìn)行三元均勻成核，因此普遍認(rèn)為，低濃度氨已經(jīng)對(duì)成核效率起到了促進(jìn)作用。但對(duì)這一促進(jìn)作用的實(shí)際大小還存在爭議，為了將氨的作用量化，多種方法用于檢測(cè)氨的含量。如化學(xué)電離質(zhì)譜法CIM，氧化鉬轉(zhuǎn)變法和檸檬酸鹽分解法等，其中CIM法最為被推崇，其優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間分辨率高響應(yīng)快，但同時(shí)高背景導(dǎo)致了低檢測(cè)限。除此之外，對(duì)氨濃度測(cè)定的難度還在于氨的狀態(tài)介于氣體和氣溶膠之間，難以將氣態(tài)氨與顆粒態(tài)隔離，可以被各種表面吸附產(chǎn)生氫鍵，并且擴(kuò)散系數(shù)較高，這些都導(dǎo)致采樣中樣品流失和低響應(yīng)時(shí)間。本文中采用的氨檢測(cè)在CERN的云霧室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)旨在研究pptv級(jí)的氨含量對(duì)硫酸/水成核速率的影響，實(shí)驗(yàn)前杜絕了相關(guān)氣溶膠的出現(xiàn)，從而避免了氣態(tài)與顆粒氨的分離，再加上新型的取樣線設(shè)計(jì)將采樣損失降至最低，通過長程吸收光譜法高時(shí)間分辨地確定pptv級(jí)氨的混合比例。

 

實(shí)驗(yàn)方法及裝置

 

貝賽羅顯色法（氨與次氯酸鈉和酚在堿性溶液中反應(yīng)生成藍(lán)色靛酚，在640nm存在吸收），催化劑為亞硝基鐵氰化鈉，為了增加響應(yīng)采用LWCC液體波導(dǎo)毛細(xì)管池，附加紅色LED光源，檢測(cè)設(shè)備為海洋光學(xué)USB2000光譜儀。

 

從Lambert-Beer定律可以得知，靛酚濃度與吸光度成正比，因此氨正比于吸光度，儀器的背景定期扣除，在線檢測(cè)每2s輸出數(shù)據(jù)，將云霧室內(nèi)濃度與儀器背景的差值作為氨濃度。云霧室為直徑3m，總26.1m3的不銹鋼圓筒，云霧室內(nèi)溫度精確調(diào)控，穩(wěn)定性在0.01K，純凈空氣為液氮與液氧79：21氣化混合得到，痕量氣體SO2和NH3通入前用該純凈空氣稀釋，由各自的不銹鋼管路進(jìn)入室內(nèi)，以避免交叉污染。

圖1 裝置圖示：R1和R2分別表示酚+硝基氫氰酸和次氯酸鹽加入.

 

結(jié)論

 

根據(jù)圖2，儀器響應(yīng)在400nM內(nèi)為線性，符合下列等式：ABS=（0.0013+2.4*10-5）[NH4]，ABS為吸光度，檢測(cè)限為35pptv。

圖2不同銨根濃度得到的定標(biāo)曲線.

 

不同氨含量的成核速率在中性宇宙射線和帶電介子束條件下檢測(cè)，成核速率對(duì)少量氨的加入十分敏感，氨濃度從35pptv增加至100pptv，中性和離子誘導(dǎo)成核率增加了10倍，在200pptv，成核速率達(dá)到飽和，這些觀察結(jié)果表明，成核速率在氨含量低于100pptv時(shí)極度依賴氨含量。

圖3 292K，[H2SO4]=1.2x108cm-3時(shí)成核速率與氨濃度的關(guān)系.