大气气溶胶的FTIR光谱研究

分类号 密级 U D C 大气气溶胶的 FTIR 光谱研究 赵利军 导师姓名职称 张韫宏教授 答辩委员会主席 李前树 教授 申请学科门类 理 学 论文答辩日期 2006 年2 月28 日 申请学位专业 物理化学 2006 年 2 月 23 日 研究成果声明 本人郑重声明所提交的学位论文是我 本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 签名 日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解北京理工大学有关保管、 使用学位论文的规定，其中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送 和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定） 。 签 名 日期 导师签名 日期 北京理工大学博士学位论文 I摘要 气溶胶相关大气环境问题日益受到关注。气溶胶对大气环境的影响，主要与其吸湿性质和相的存在状态相关。为了对大气气溶胶的相行为，特别是气溶胶液滴过饱和现象进行研究，本工作以傅里叶变换红外FTIR光谱仪为基础，建立了两套大气气溶胶原位红外光谱研究方法和装置，即 FTIR/AFT气溶胶流管和 FTIR/ATR衰减全反射。具体地说，本工作对相关体系和方法的研究，主要在以下四方面取得了积极的进展1使用FTIR/AFT对MgSO4气溶胶的研究表明，SO42-的 v3谱带对MgSO4气溶胶过饱和溶液中 Mg2和SO42-接触离子对的生成非常敏感。通过与前人对海水气溶胶的研究进行关联，还发现在低湿度下的海水气溶胶颗粒中， MgSO4组分是以胶状物质或者浓溶液的形式存在于海盐微晶缝隙之间； 2使用FTIR/AFT对NaClO4气溶胶的研究表明，ClO4-的 v3谱带对NaClO4气溶胶过饱和溶液中Na和ClO4-接触离子对的生成非常敏感。考虑到已有的一些理论研究结果，除了Eigen机制，NaClO4气溶胶过饱和溶液中接触离子对还可能由ClO4-直接进攻具有“外形结构”的水合Na直接形成； 3通过理论分析和实验设计，在现有技术水平上，提出了一条 FTIR/ATR 光谱法测量气溶胶过饱和溶液光学常数的新方法；4 通过ATR光谱理论计算和模拟，揭示出了一般气溶胶细颗粒ATR光谱的基本特征。在ZnSe晶体表面制备了MgSO4气溶胶细颗粒，并结合理论研究的结果，对气溶胶细颗粒的ATR光谱进行了分析和讨论。 关键词 大气气溶胶，过饱和溶液，硫酸镁，高氯酸钠，傅里叶变换红外 FTIR，衰减全反射ATR，气溶胶流管AFT 北京理工大学博士学位论文 IIAbstract Atmospheric environmental problems relevant to aerosols are gaining more and more attention. The roles that aerosols play in the atmosphere have been related primarily to their hygroscopic properties and phase states. To study the phase behaviors of aerosols, especially supersaturated aerosols, two unique in situ FTIR setups, i.e. FTIR/AFT aerosol flow tube and FTIR/ATR attenuated total reflection, have been constructed. In particular, progresses have been made in the following investigations 1 FTIR/AFT study of MgSO4aerosols found that the v3band of SO42-is very sensitive to the ation of contact ion pairs in supersaturated MgSO4aerosols. By correlating with the previous investigations of artificial seawater aerosols, MgSO4component was believed to exist as gels or concentrated solutions in the fissures of micro-crystals in seawater aerosols at low relative humidity; 2 FTIR/AFT study of NaClO4aerosols found that the v3band of ClO4-is very sensitive to the ation of contact ion pairs in supersaturated NaClO4aerosols. Considering some theoretical results, in addition to the Eigen mechanism, contact ion pairs in supersaturated NaClO4aerosols may also through the attack of ClO4-upon hydrated Nawith “external structures”; 3 Through theoretical explorations and experimental designs, a new by FTIR/ATR spectroscopy, base on the available techniques, was proposed for measuring the optical constants of supersaturated aerosols; 4 Theoretical calculations and simulations were used to reveal the general ATR spectral features of aerosol fine particles. MgSO4aerosol fine particles were prepared on the surface of a ZnSe crystal, and the ATR spectra were accordingly discussed in the context of the above theoretical results. Keywords atmospheric aerosols, supersaturated solutions, magnesium sulfate, sodium perchlorate, Fourier trans infrared FTIR, attenuated total reflection ATR, aerosol flow tube AFT 北京理工大学博士学位论文 III目录 第一章 引言......................................................... ... 1 1.1 地球大气与大气气溶胶............................................ 1 1.1.1 地球大气的演化 ............................................ 1 1.1.2 现代大气的结构和组成 ...................................... 2 1.1.2.1 大气的结构........................................... 2 1.1.2.2 大气的组成........................................... 4 1.1.3 大气污染与大气气溶胶 ...................................... 5 1.2 大气气溶胶的研究................................................ 6 1.2.1气溶胶大气过程相变的研究对象............................... 6 1.2.