一种气溶胶活化成云过程中云滴表面张力测量方法及系统技术方案

本发明专利技术属于气溶胶测量技术领域，具体为一种气溶胶活化成云过程中云滴表面张力测量方法及系统。本发明专利技术测量方法包括：搭建云滴表面张力的测定系统，包括云凝结核计数仪、电极板及高压电源、以及凝聚核粒子计数器及差分电迁移率分析仪；施加高压电场，使液滴中的正负离子在电场牵引作用下发生分裂；气溶胶样品经过云室吸收水蒸汽长成为液滴，经过高压电场牵引作用发生分裂后，由凝聚核粒子计数器测量流出样品中的液滴数浓度；通过拟合液滴数浓度随电压强度变化的关系图，得出液滴发生分裂时的临界电压；根据临界电压与液滴表面张力存在定量关系，计算其表面张力。本发明专利技术可用于大气化学传输模拟和气候模式，评估云滴表面张力对云滴数浓度与粒径的影响。数浓度与粒径的影响。数浓度与粒径的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种气溶胶活化成云过程中云滴表面张力测量方法及系统


[0001]本专利技术属于气溶胶测量
，具体涉及气溶胶活化成云过程中云滴表面张力的测量方法及系统。

技术介绍

[0002]云在全球能量平衡和天气气候中起十分重要的作用。大气中的气溶胶粒子可以作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）影响云滴数浓度和有效半径，进而影响云的光学和辐射性质，如光学厚度和反照率等，并改变云的降水效率和生命周期，从而间接改变全球辐射能量平衡。气溶胶
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云相互作用主要体现在两个方面，一方面在一定的液态水路径下，气溶胶浓度增加使云滴数浓度增加，云滴有效半径减小，从而使云的反照率增加；另一方面气溶胶的增加可以减弱云的降水效率，增加云的生命周期，从而冷却地气系统。根据IPCC评估报告，气溶胶
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云相互作用是目前全球辐射强迫评估中最大的不确定因素，该作用造成的制冷效应可以在很大程度上抵消由温室气体引起的增暖效应。
[0003]由于对成云过程认识的不足，气溶胶对CCN浓度、云滴数浓度和粒径的影响尚无法准确定量。CCN的浓度主要取决于水汽过饱和度、气溶胶的粒径、组分和活化（成云）过程中云滴的表面张力。目前许多研究关注了气溶胶粒径和组分对CCN的影响，有较为准确的认识，而云滴的表面张力由于缺乏合适的测量方法其具体的数值当前仍然未知。长期以来云滴的表面张力被假设等于纯水的表面张力，这一假设因为大气气溶胶中广泛存在的有机物造成液滴的表面张力与纯水不同，而可能会对CCN的浓度和云滴的粒径造成很大的影响。如研究发现当初生海洋超细气溶胶颗粒（<100 nm）作为CCN时，使用纯水的表面张力来估算CCN的浓度可造成高达10倍的低估，而当大气常见的有机气溶胶作为CCN的成云过程中，使用纯水的表面张力会对云滴粒径造成40%
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60%的低估。由此造成的CCN浓度和云滴粒径的巨大偏差可能会对全球辐射强迫以及区域和全球尺度的气候预测产生重要影响。因此，测定气溶胶成云过程中云滴的表面张力具有重要意义。
[0004]当前已有的液体表面张力的测量方法，主要针对大量的体相溶液（数十毫升量级）或者需要大量溶液来产生毫米级液滴。少量针对微米级小液滴的测量方法如原子力显微镜法和光镊法等仅适用测定相对湿度低于100%的情况，而无法在成云的水汽过饱和条件下采用。由于云滴粒径很小（微米级），而在水汽过饱和条件下的云滴很难稳定存在，测定处于水汽过饱和状态下的微米级云滴的表面张力难度极大，因此目前尚无对成云过程中云滴表面张力进行测定的研究报道。为更好的评估气溶胶对成云和气候的影响，亟需一种能够测定气溶胶活化成云过程中云滴表面张力的测定方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种使测量方便、操作简单、性能可靠的气溶胶活化成云过程中云滴表面张力的测量方法和系统。
[0006]本专利技术提供的气溶胶成云过程中云滴表面张力的测定方法，具体步骤为：
（1）搭建云滴表面张力的测定系统，测定系统包括云凝结核计数仪、电极板及高压电源、以及凝聚核粒子计数器及用于选择单一粒径气溶胶的差分电迁移率分析仪；所述的云凝结核计数仪内包括侧向光学粒子计数器（OPC），通过其内人造云室产生不同温度、不同水汽过饱和度的成云条件，从而使气溶胶活化为云滴，并由光学粒子计数器（OPC）测量活化云滴数浓度和粒径；所述电极板设置于云室的气流出口端，并与高压电源连接，用于产生不同强度的高压电场；（2）施加高压电场，使液滴中的正负离子在不同强度电场牵引的作用下发生分裂，分裂时的电压称作临界电压；气溶胶样品经过云室吸收水蒸汽长成为液滴，即云滴，经过高压电场牵引作用发生分裂后，由样品出口端设置的凝聚核粒子计数器测量流出样品中的液滴数浓度；通过拟合液滴数浓度随电压强度变化的关系图，分析得出液滴发生分裂时的临界电压；（3）本专利技术的原理，基于液滴在特定的高压电场下会发生分裂形成多个小液滴，其分裂临界电场强度与表面张力存在定量关系，前人研究已经指出(Beroz et al. 2019, Phys. Rev. Lett. , 122, 244501)，根据高压电场下液滴产生分裂时的临界电压与其表面张力存在定量关系，表面张力计算如下：
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（1）其中，R表示液滴半径，通过云凝结核计数仪内的光学粒子计数器给出；ε为真空介电常数；E0为临界电压，其通过扫描电压观测云滴残留的浓度的变化来确定；γ即为所求的云滴表面张力；根据上式，已知液滴半径、临界电压、以及常数项，便可计算得出云滴的表面张力。
[0007]本专利技术中，气溶胶模式分为：单粒径气溶胶模式（单一粒径）和多粒径气溶胶模式（又称，多分散气溶胶，包含多个粒径的气溶胶粒子），以单粒径气溶胶模式为例，具体操作步骤如下：（1）将备好待测的气溶胶样品通入差分电迁移率分析仪（DMA;TSI3080）进行粒径的选择，得到单一粒径的气溶胶；（2）将筛选的单一粒径的气溶胶样品以一定流速通入云凝结核计数仪中的云室，云室内的过饱和度设置为0.1
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1%，温度设置为5
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40℃；待气溶胶粒子在云室内凝结生长并生成云滴；（3）由高压电源设置不同电压V（1~25kV），并以0.1 kV/s的速度升高，同时由凝聚核粒子计数器测量云凝聚核计数仪样品出口端的液滴数浓度N，获得N和V分别随时间变化的数据；（4）分析N随V的变化图，并通过S曲线拟合获得N（V）函数变化图，辨别N发生明显增加（即液滴发生分裂）时所对应的临界电压；根据临界电压，和光学粒子计数器测得的液滴半径，便可计算得到该条件下气溶胶活化成云滴的表面张力。
[0008]进一步地，通过改变过饱和度、温度、气溶胶粒径测定云滴表面张力：改变云凝聚核计数仪内的过饱和度条件（0.1%~1%），测定不同过饱和度下的云滴表面张力；或使用差分电迁移率分析仪筛选不同样品气溶胶的粒径（30~600 nm），测定不同粒径大小的气溶胶活
化成云滴的表面张力；或改变云凝聚核计数仪内的温度（5~40℃），测定不同温度条件下的云滴表面张力。从而研究不同因素对云滴表面张力的影响。
[0009]本专利技术提供的气溶胶成云过程中云滴表面张力的测定系统，包括云凝结核计数仪、电极板及高压电源、以及凝聚核粒子计数器及用于选择单一粒径气溶胶的差分电迁移率分析仪。所述的云凝结核计数器内包括侧向光学粒子计数器（OPC），可以通过其内人造云室产生不同温度、不同水汽过饱和度的成云条件，从而使气溶胶活化为云滴，并由光学粒子计数器（OPC）测量活化云滴数浓度和粒径；所述电极板设置于云室的气流出口端，并与高压电源连接，用于产生不同强度的高压电场。
[0010]本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术的云滴表面张力测定系统基于商品化的云凝结核计数器和凝聚核粒子计数器，方便随时连接高压电源进行使用，操作维护简单，适合于广泛推广使用；（2）本专利技术的云滴表面张力测系统可以首次实现气溶胶活化成的云滴表面张力的定量测量，弥补当前测量手段的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气溶胶成云过程中云滴表面张力的测定方法，其特征在于，具体步骤为：（1）搭建云滴表面张力的测定系统，测定系统包括云凝结核计数仪、电极板及高压电源、以及凝聚核粒子计数器及用于选择单一粒径气溶胶的差分电迁移率分析仪；所述的云凝结核计数仪内包括侧向光学粒子计数器，通过其内人造云室产生不同温度、不同水汽过饱和度的成云条件，从而使气溶胶活化为云滴，并由光学粒子计数器测量活化云滴数浓度和粒径；所述电极板设置于云室的气流出口端，并与高压电源连接，用于产生不同强度的高压电场；（2）施加高压电场，使液滴中的正负离子在不同强度电场牵引的作用下发生分裂，分裂时的电压称作临界电压；气溶胶样品经过云室吸收水蒸汽长成为液滴，即云滴，经过高压电场牵引作用发生分裂后，由样品出口端设置的凝聚核粒子计数器测量流出样品中的液滴数浓度；通过拟合液滴数浓度随电压强度变化的关系图，分析得出液滴发生分裂时的临界电压；（3）根据高压电场下液滴产生分裂时的临界电压与其表面张力存在定量关系，表面张力计算如下：
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（1）其中，R表示液滴半径，通过云凝结核计数仪内的光学粒子计数器给出；ε为真空介电常数；E0为临界电压，其通过扫描电压观测云滴残留的浓度的变化来确定；γ即为所求的云滴表面张力；根据上式，已知液滴半径、临界电压、以及常数项，便可计算得出云滴的表面张力。2.根据权利要求1所述的气溶胶成云过程中云滴表面张力的测定方法，其特征在于，具体操作步骤为：（1）将备好待测的气溶胶样品通入差分电迁移率分析仪，进行粒径的选择，得到单一粒径的气溶胶；（2）将筛选的单一粒径的气溶胶样品以一定流速通入云凝结...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德峰，王卓思，宋臻，罗灏，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：