研究万亿分之一级的氨含量对成核过程的影响

 

引言

 

氨在大气化学中具有重要的作用，主要表现在其可与各类酸反应形成气溶胶，并且促进了新颗粒进行三元均匀成核，因此普遍认为，低浓度氨已经对成核效率起到了促进作用。但对这一促进作用的实际大小还存在争议，为了将氨的作用量化，多种方法用于检测氨的含量。如化学电离质谱法CIM，氧化钼转变法和柠檬酸盐分解法等，其中CIM法最为被推崇，其优势在于时间分辨率高响应快，但同时高背景导致了低检测限。除此之外，对氨浓度测定的难度还在于氨的状态介于气体和气溶胶之间，难以将气态氨与颗粒态隔离，可以被各种表面吸附产生氢键，并且扩散系数较高，这些都导致采样中样品流失和低响应时间。本文中采用的氨检测在CERN的云雾室中进行，实验旨在研究pptv级的氨含量对硫酸/水成核速率的影响，实验前杜绝了相关气溶胶的出现，从而避免了气态与颗粒氨的分离，再加上新型的取样线设计将采样损失降至最低，通过长程吸收光谱法高时间分辨地确定pptv级氨的混合比例。

 

实验方法及装置

 

贝赛罗显色法（氨与次氯酸钠和酚在碱性溶液中反应生成蓝色靛酚，在640nm存在吸收），催化剂为亚硝基铁氰化钠，为了增加响应采用LWCC液体波导毛细管池，附加红色LED光源，检测设备为海洋光学USB2000光谱仪。

 

从Lambert-Beer定律可以得知，靛酚浓度与吸光度成正比，因此氨正比于吸光度，仪器的背景定期扣除，在线检测每2s输出数据，将云雾室内浓度与仪器背景的差值作为氨浓度。云雾室为直径3m，总26.1m3的不锈钢圆筒，云雾室内温度精确调控，稳定性在0.01K，纯净空气为液氮与液氧79：21气化混合得到，痕量气体SO2和NH3通入前用该纯净空气稀释，由各自的不锈钢管路进入室内，以避免交叉污染。

图1 装置图示：R1和R2分别表示酚+硝基氢氰酸和次氯酸盐加入.

 

结论

 

根据图2，仪器响应在400nM内为线性，符合下列等式：ABS=（0.0013+2.4*10-5）[NH4]，ABS为吸光度，检测限为35pptv。

图2不同铵根浓度得到的定标曲线.

 

不同氨含量的成核速率在中性宇宙射线和带电介子束条件下检测，成核速率对少量氨的加入十分敏感，氨浓度从35pptv增加至100pptv，中性和离子诱导成核率增加了10倍，在200pptv，成核速率达到饱和，这些观察结果表明，成核速率在氨含量低于100pptv时极度依赖氨含量。

图3 292K，[H2SO4]=1.2x108cm-3时成核速率与氨浓度的关系.