《複雜煙塵團簇粒子結構和光學性質演變機理研究》是依託南京理工大學，由李燕擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：複雜煙塵團簇粒子結構和光學性質演變機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李燕
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
煙塵團簇粒子在大氣的傳輸和老化過程中，其表面會獲取一定質量分數的水、無機或二次有機氣溶膠，並粘附大氣中的大顆粒物質，形成結構和形貌複雜、吸濕性和光學性質大大不同於新鮮排放的煙塵粒子。本研究針對這一複雜體系，建立煙塵團簇粒子大氣演變綜合實驗系統，系統深入地研究煙塵團簇粒子的結構和光學性質演變機理。基於粒子物化性質測定的實驗數據，分析多種因素協同作用下的煙塵團簇粒子結構和形貌變化；通過表面非均相反應歷程的實驗測試和反應機理的研究，獲得煙塵凝聚粒子表面動力學演變機制；並在此基礎上，開展相應的數值模擬，建立複雜煙塵凝聚粒子結構演變模型；通過結構模型的分析和實驗數據的修正，建立複雜煙塵團簇粒子光學性質演變模型；為大氣煙塵光輻射的深入研究提供有效的實驗手段和理論數據支撐。
結題摘要
煙塵凝聚粒子是燃料不充分燃燒或者燃燒生成的氣體污染物和粉塵混合體組成的群聚粒子，實際大氣中煙塵粒子可看作是近似度很好的群聚球形微粒所組成的團簇粒子，團簇粒子中基本粒子的粒度非常小，這種經自然過程形成的簇團粒子一般具有十分複雜的空間幾何結構和分形特徵。在科學技術飛速發展的今天，對煙塵團簇粒子散射特性及其動力學特性的研究越來越迫切，不僅體現在大氣氣溶膠科學和環境氣候演變中，而且可以推動塵埃粒子的電磁散射、不充分燃燒群聚小粒子體系的動力學生長等相關領域的研究，對軍事領域中遠程精確打擊的防禦與反防禦也有很重要的貢獻。本項目在凝聚相粒子分形結構模型、粒子表面非均相反應模型、多粒子光散射理論的基礎上，開展了複雜煙塵凝聚粒子結構和光學性質的深入研究，研究結果對準確地評估煙塵團簇粒子的光學性質及其對氣候和環境的影響具有重要的意義。採用改進的Mie理論和離散偶極子近似方法（DDA）方法，並對幾種典型的單體粒子的形狀進行參數表征，計算不同形狀的單體粒子隨尺寸參數變化的散射特性。研究發現，單體粒子散射特性隨尺寸參數的增加而增加，隨折射指數的增加而減小，且板狀和滴晶粒子在尺寸參數為5.5時，消光因子、散射因子出現極值。基於團簇-團簇凝聚（CCA）分形生長模型，對隨機分布的煙塵凝聚粒子進行了模擬，考慮凝聚粒子的聚集狀態、單元粒子的形狀，及基本微粒的大小、入射波長以及粘附的大粒子化學成分等，利用DDA方法計算煙塵凝聚粒子的散射特性的變化。結果表明，不同類型單元的規則排列的凝聚粒子，平行散射強度和垂直散射強度變化不一致，而且平行散射強度在90時出現最小值，垂直散射強度沒有這個現象。隨機分布的煙塵凝聚粒子在不同入射波長下，前向散射強度都要比後向散射強度強，消光和吸收係數隨原始粒徑的增加而減小。對凝聚體中有多種粒徑和單一粒徑的凝聚體的散射特性對比可知，光學係數隨入射波長的變化明顯不同，入射光的波長較小時，散射作用主要表現為前向散射。煙塵凝聚粒子表面粘附不同化學成分的大顆粒時，大粒子的粒徑越大，化學成分的變化對整個凝聚粒子本身的散射特性的影響越大。搭建了複雜煙塵凝聚粒子光散射性質的實驗裝置，利用透射率比較法，得到了635nm和532nm兩種入射光波長下，煙塵凝聚粒子的相對消光係數為0.8543，與理論模擬的結果非常吻合。
