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从室外环境向室内环境、区域环境、全球环境发展；
从平流层向对流层发展；
并将气溶胶的特性与环境效应（如气候效应）、生态效应（如健康效应）以及大气化学过程密切结合起来，向更深的层次和更广的范围开拓。
气溶胶测量的基本原理和方法：
运用惯性、热力和静电引力加速粒子的沉积，或使用有效的过滤系统。
经典时期气溶胶采样方法：
计尘器（konimeters）串级冲击式采样器（cascadeimpactors）采尘器（impingers）沉降器（Precipitators）。
计尘器是单级冲击式采样器（one-stageimpactor）。
Kotze（Innes，1919）制造了计尘器，粉尘粒子通过碰撞被收集在涂有石油或甘油的玻璃板上，石油膜或甘油膜能够阻拦并留住粉尘。
采尘器和串级冲击式采样器的区别是，在采尘器中，粒子冲击到一个固体表面上，随后就与一种液体（如水或是酒精）发生碰撞。
“经典”方法的局限性：
采样过程中都存在粒子反弹、再夹带和解聚集等问题；
不同仪器的采样时间从几s到几h不等，不同仪器的采样和收集效率也显著不同；
不同仪器测得的浓度值不具有可比性；
非等速采样可能产生的误差；
热沉降器显示出明显的无规律性，而且采集到的粉尘沉降物不均质。
现代气溶胶测量方法：
过滤采样；
淘析器（elutriators）和气溶胶离心机（aerosolcentrifuges）；
凝结核子计数器（CNC）；
超显微镜光学粒子计数器；
超倍显微镜；
丁达尔仪；
光学粒子计数器；
矿物和化学气溶胶的分析。
过滤采样：
使气体通过一种合适的介质而将其中的粉尘与气体分开来。
纸质抽提套管过滤器中填充松软的棉花；
可溶性粉尘采样滤膜-“糖滤膜”，萘滤膜，四氯酚酞晶体；
下一步发展是纸质滤膜薄膜滤膜（MF）成为最重要的标准气溶胶分析与采样元件；
聚碳酸酯滤膜（也称为核孔膜（Nucleporefilter）或NP。
淘析器和气溶胶离心机：
根据粒子沉降速度与气流速度的差异，依据粒度将其分离的过程。
垂直淘析器用来分离粒径和测量空气动力学粒度，气溶胶离心机和水平淘析器的操作十分类似，只是后者利用离心力，前者利用重力。
凝结核子计数器—膨胀计数器（expansioncounter），用照相机代替显微镜，就可以直接拍摄到已知体积中的悬浮粒子数量。
膨胀计数器：
通过膨胀，使预先加压的饱和样品空气冷却，这样使空气达到超饱和。
CNC在气溶胶测量领域中有很广泛的应用，比如使用浸提器组仪检测气溶胶过滤器。
超显微镜光学粒子计数器，丁达尔仪可以测量30°
方向上的散射光。
1945~1950年，发展了基于单粒子散射光理论的光电光学粒子计数器（OPC），OPC能在线和在原位测量粒子直径大于0.3μm的稀释气溶胶的数量浓度。
基本理论
常见术语：
气溶胶（aerosol）、生物气溶胶（bioaerosol）、云（cloud）、粉尘（dust）、雾（fog或mist）、烟尘（fume）、霾（haze）、纳米粒子（nanoparticle）、粒子（particle）、粒子状物质（particulate）、烟雾（smog）、烟（smoke）、飞沫（spray）、凝聚体（agglomerate）、聚合体（aggregate）、絮凝物（flocculate）、一次粒子（primaryparticle）、二次粒子（secondaryparticle）
大多数气溶胶粒度分级设备的有效测量范围不超过1.5个数量级，即某一仪器能测量的最大粒度可能是最小粒度的50倍。
粒子粒度常用平均粒径（所有粒度的平均值）、中值粒径（大于和小于这个粒度的粒子数量相等）或模态表示（粒子数量最多的粒径），粒度分布可以用算术或几何（对数）标准偏差表示。
粒子作用力：
粒子吸附力、分离力及粒子反弹、外加力
蒸汽分压是气体体积中蒸汽的浓度。
分压是蒸汽单独存在时的压力。
分压一般用分压与大气压力的比值表示，即蒸汽的浓度分数。
特定温度下的蒸汽压或饱和蒸汽压是任何流体的特征，它反映了流体中的水蒸汽在气-液界面不蒸发而必需达到的最小分压。
气溶胶凝结和蒸发过程中的重要参数是蒸汽分压与饱和蒸汽压的比值，称为饱和度。
五、粒子的物理化学变化：
1、凝结当纯净水滴处于超饱和环境下时，即其饱和度大于开尔文公式的计算值，蒸汽将凝结在液滴表面，使液滴增大。
增长率取决于饱和度和粒度，并受到蒸汽分子到达液滴表面的速率的控制。
小于平均自由程的液滴的生长速率与其大小没有关系，大于平均自由程的液滴的生长速率与其大小成反比。
2、核化现象同类成核蒸汽中液滴的最初形成过程很复杂。
没有凝结核，也可以形成液滴，但这个过程叫同类成核或叫自动成核，这通常需要饱和度范围为2~10，如此高的饱和度在专业实验室或化学过程中才会出现。
异类成核最常见的形成机制是核凝结或异类成核。
这个过程取决于亚微米级粒子，它们被称为凝结核，即凝结点。
在超饱和状态下，不溶解的核子是凝结的发生点。
存在可溶性核子的情况要更复杂更重要！
正常空气中含有大量的可溶性核子这些可溶性核子具有很强的亲水性，有助于液滴形成并使液滴在低饱和度下也能生长，而不溶性核子则不能。
与纯净液体相比，可溶盐提高了生长速率，降低了蒸发速率。
当液滴中存在可溶盐时，随着液滴蒸发或生长，有两种效应在起作用：
随着液滴蒸发，因为只有水消失，所以盐的浓度增加，这增强了盐保持液滴中水分的亲水性；
另一种效应是开尔文效应，导致平衡蒸汽压提高
3、蒸发-------干燥时间
4、凝聚凝聚（coagulation）是气溶胶粒子相互碰撞而引起的气溶胶的生长过程。
如果是布朗运动造成的碰撞，则该过程称为热凝聚；
如果是外力引起的运动碰撞，则称为动力凝聚。
热凝聚与凝结生长在一定程度上有些相似，不同的是，热凝聚是其他粒子扩散到一个粒子表面而不是分子扩散到粒子表面。
热凝聚不同于凝结，它不需要超饱和度，是一个单一过程，没有与蒸发对应的等效过程。
粒子间大量碰撞的结果是：
粒度增大、气溶胶数量浓度降低。
因为没有任何损失或转移机制，因此凝聚不会改变质量浓度
简单单分散凝聚粒子是单分散性的；
如果这些粒子一旦接触则会相互粘附；
这些粒子生长得很慢。
在常态下，粒度的增加范围受到限制，凝聚系数可以看作是常数，凝聚速度仅与数量浓度的平方成正比，因此，数量浓度高时，凝聚是一个快速过程，数量浓度低时是一个慢速过程。
粒度随数量浓度的降低而增大，但是，在没有损失的封闭系统内，粒子质量将保持恒定。
如果数量浓度降低到原来的1/2，那么质量（体积）就集中在一半的粒子上，所以每个粒子的质量（体积）将是原来的2倍。
粒子数量浓度降为原来的8倍时，粒度将加倍。
六、气溶胶的粒度分布特征
1、粒度的基本概念与粒度分布
粒度是描述气溶胶粒子的最基本参数。
粒子必须悬浮在气体中才能被称为气溶胶。
按照惯例，人们认为粒度的上限大约为100μm，粒度最小可以达到纳米级，相当于一群分子的大小。
在这么大的粒度范围内，气溶胶的性质和行为有很大差异。
单位密度的球形粒子，其粒度可以简单地用几何直径表示。
任意形状和密度的粒子，可以用当量直径表示。
空气动力学直径定义为与不规则粒子有着相同沉降速率的单位密度的球形粒子的直径。
扩散直径是与不规则粒子有着相同扩散速率的单位密度的球形粒子所具有的直径。
斯托克斯直径是与不规则粒子有着相同密度和沉降速度的球形粒子所具有的直径；
光学直径是与粒子有着相同的仪器检测响应信号的校准粒子所具有的直径，这些仪器是通过粒子与光的相互反应而检测粒子的
2、粒度分布
粒度分散范围小于10%~20%的气溶胶被认为是单分散性的。
那些粒度变动范围较广的气溶胶被认为是多分散性的。
最简单的粒度分布是用柱状图表示出连续粒度间隔内的粒子数量，如果间隔足够多，粒度分布将会成为微分粒度分布。
由于粒度分布与粒子数量有关，或者分布图的纵坐标表示粒子数量，所以这种分布被称为数量分布。
数量分布通常是幂律分布，质量分布通常符合对数正态分布函数。
见P67页公式一堆。
。
对数正态分布应用最广。
环境大气中粒子的直径范围包括所定义的气溶胶的所有直径。
粒子形成过程以及大气中物理、化学作用决定了粒度。
粒度是环境气溶胶迁移的重要参数。
气溶胶的主要影响都与粒度有关，其中包括危害呼吸健康、降低能见度以及表面沉降等。
Junge（1963）较早描述了环境气溶胶的粒度分布，他用幂律函数把粒子数量浓度对数与粒子半径对数的关系图表示出来。
Whitby（1978）提出，把大气气溶胶数量分布转换成体积分布，而显示了3种独特的粒度模态，分别为核模态、积聚模态和粗粒子模态。
最近研究指出，环境粒子粒度分布其实比Whitby模型更复杂。
Whitby（1978）描述了一个三模态分布，其中包括0.005~0.1μm的核模态、0.1~2μm的积聚模态及大于2μm的粗粒子模态。
每一个模态都符合对数正态函数。
在积聚模态与粗粒子模态之间，环境粒子粒度分布有一个最小浓度（在2μm处）。
Whitby把粒子分成两个主要部分，即直径在2μm以下的精细粒子与直径大于2μm的粗糙粒子。
这两部分的主要区别在于源的差别及物理和化学性质的差别，精细粒子主要来源于燃烧，而粗糙粒子则主要由化学作用产生。
核模态，粒度0.005~0.1μm，几何平均直径范围为0.015~0.038μm、平均直径为0.029μm、几何标准偏差为1.7。
近期的数据表明，在核模态粒度范围内有两种模态。
核模态是由大气中气体的光化学反应和燃烧形成的。
由于它的短暂性，核模态仅在源头附近处显著，如高速公路上。
目前，人们对“超细粒子”相当关注，这些粒子可能渗透到肺部组织而使人体健康受损，超细粒子的不十分严谨的定义是：
与核模态有着相同粒度的粒子，但强调的是与最小粒度相接近。
积聚模态，粒度0.1~2μm，大气中的复杂反应导致硫和氮的氧化，产生含有无机化合物诸如硫酸铵、硝酸铵等积聚模态的粒子。
在积聚模态粒度范围内，也含有有机碳和元素碳粒子。
Whitby描述了一个质量中值直径约为0.3μm的单积聚模态。
John等（1990）发现，在这个粒度范围内无机离子的粒子粒度分布有两种模态，一种被John等称为凝结模态，其平均空气动力学直径为0.2μm；
另一种被称为飞沫模态，其平均空气动力学直径为0.7μm。
凝结模态一词，反映了其形成和增长方式是通过直接或间接与核模态粒子凝聚进而凝结气体。
在凝结模态下，粒子增长速率随粒度的增加而减小。
因此，在可以达到的时间内，环境大气凝结模态不可能增加到超过0.2μm。
飞沫模态，因为在此粒度范围内的粒子沉积物显示出潮湿的迹象。
飞沫模态的平均直径为0.7μm，但直径范围却是从邻近0.2μm的凝结模态到1μm。
积聚模态粒度范围中也包括元素碳和有机碳粒子。
Mcmurry（1989）在SCAQS中进行的测量表明，在这个粒度范围内有一个双峰分布，一个是在凝结模态，而另一个是比无机飞沫模态稍微小的模态。
Venkataraman和Friedlander（1994）测量了多环芳烃（PAHs）和元素碳的粒度分布，结果表明，它们的峰值大约为0.1μm和0.7μm。
粗粒子模态，粒度大于2μm。
Whitby和Sverdrup（1980）报道了利用光学计数器测量的不同地方的粗粒子模态平均直径为6.3μm±
2.3μm，而且，他们也观察到其他模态，有些比6μm大得多。
粒子由来自土壤的矿物粒子、生物粒子、海盐粒子等组成。
土壤粒子的直接空气动力学夹带相对不明显。
被称为跳跃的过程涉及湍流脉冲（turbulentbursts），可以喷起地面上直径约为100μm的粒子，太大的粒子将在重力的作用下迅速地落下，惯性小的粒子不需要从风中得到任何向上的净速度，就可以随涡旋运动。
生物粒子通常由花粉组成，是相当单分散的，直径一般为20μm或大于20μm。
市区内汽车产生的道路尘是巨大粗粒子模态。
包含矿物的橡胶粒子以及在沿海城市发现的粗糙海盐粒子都是粗粒子模态。
在沿海地区的粗糙气溶胶中发现了硝酸盐，这是硝酸与海盐作用的结果。
内陆空气中也能看到粗糙的硝酸盐粒子，这是由硝酸盐和碱性土壤粒子反应而形成，在晚上可能是N2O2与土壤粒子反应（Wolff，1984）而形成。
Venkataraman等（1999）测量了印度的PAHs的粒度分布，发现不挥发的PAHs在积聚模态达到峰值，但是平均32%在粗粒子模态范围。
半挥发性的PAHs在粗粒子模态中占优势，平均达到60%。
Venkataraman等讨论了核模态或积聚模态下的一次粒子挥发后，有机化合物吸附在粗糙模态的粒子上。
室内气溶胶
室内气溶胶通常指居住地和办公室里的气溶胶，是与工业车间相区别的。
人们越来越重视室内气溶胶，因为人们平均80%到90%的时间都在室内活动。
哈佛大学的6城市研究（6-CityStudy）（Spengler等，1981）、纽约能量研究与发展机构（ERDA）的研究（Sheldon等，1989）、EPA粒子总暴露评价方法（PTEAM）研究（Pellizzari等，1992）。
在吸烟者的家中，烟草烟雾是室内气溶胶成分中最主要部分。
室内气溶胶的第二个最显著的来源是烹调烟雾。
煤油加热器也是室内气溶胶的来源。
室内气溶胶中的精细部分（PM2.5）含有油粒、木头燃烧的烟雾粒、钢铁粒子及与机动车有关的源和含硫源释放出来的粒子（Spengler等，1981）。
室内空气中的生物粒子包括头皮屑、真菌、细菌、花粉、孢子和病毒。
墙、地板和天花板可以释放出玻璃纤维、石棉纤维、矿渣绒和金属微粒。
使用喷雾器喷雾可以产生气溶胶。
纸产品是纤维素纤维的来源，衣服是天然的和合成的有机纤维的来源。
在有氡气存在的房间里，氡附着在悬浮粒子上会形成了放射性气溶胶。
放射性粒子粒径分布的活性中值直径（AMD）可以小到纳米级。
工业气溶胶
工业产生的气溶胶的特性由工厂类型、产品性质、工厂运作情况决定。
基础工业包括石油精炼厂、非金属矿物生产厂、黑色金属冶金工业、有色金属冶金工业、无机化学工业、纸浆与造纸工业、粮食与饲料工业。
矿井中的气溶胶。
七、气溶胶测量方法
通常情况下，测量气溶胶所用的仪器仅仅可以间接测量所需信息，大部分仪器也只能在一个有限的粒径范围内进行操作，最简单或最复杂的仪器都可能在测量中引入误差。
因此，从事气溶胶研究的人员必须分析和评价不同测量方法得到的数据的意义和有用性，以实现一种或多种特定目标。
在选择测量仪器时的难点就是，要把质量保证原则应用到气溶胶测量方法中，以确保获得准确、有意义的数据。
选择气溶胶测量仪器时，考虑的首要因素之一是气溶胶的粒度范围。
在粒度谱图中的微小粒子端，气溶胶粒子可能在（光）化学反应、凝结核和凝结生长以及凝结或凝聚中形成。
在谱图上端的粒子很可能由于机械作用而形成，如磨损和挤压，而飞沫可以通过喷雾和起泡形成。
气溶胶小粒子与大粒子间的典型分隔线大约是1μm，前者很少能生长到显著超过几μm，而后者很少有低于0.5μm。
两种普遍使用的气溶胶测量方法分别是收集和分析法、直读感应器法。
前者的资金投入较少，但耗费时间较长，能进行完整的浓度测量，可以定性、定量测量气溶胶；
后一种方法要昂贵得多，通常能够给出粒径分布信息以及近于实时的测量结果，同时允许一段时间之后再进行一些测量。
（见书82页的图）
7.5气溶胶测量方法--采样与分析方法
最普遍的收集技术是用滤膜收集空气中的粒子。
粒子可以通过多种方法分析
整个滤膜上的样品：
重量分析、化学分析、生物分析或放射性分析
滤膜中的单个粒子：
显微分析、光谱分析或者形态分析
分级采样装置，通常用的是惯性分级装置，几台分级器串联起来作为“串级式”设备以分级气溶胶或测量粒径分布。
包括串级冲击式采样器、串级向心采样器、串级旋风采样器或浸提器组。
7.6气溶胶测量方法--直读方法
1、测量粒子质量的直读法
测量质量的最直接方法是让粒子沉积到振动表面，并测量共振频率的变化。
第一类使用压电晶体作为收集表面，另一类振动感应器是锥形元件震荡微天平。
另一种测量质量的方法利用的是所收集的物质中散射的β射线使用电荷来测量串级冲击式采样器的每个单级中的粒子浓度（电低压冲击式采样器）。
最新发展的方法：
浊度计或光度计，利用来自较大区域（大于光学粒子计数器中的区域）的光散射测量粒子类型和粒径分布信号的累计散射函数。
在气溶胶不随时间显著变化的情况下进行自动校准而测定粒子质量
2、测量表面积的直读法
一种方法是将气溶胶暴露在离子场中，测量离子上累积的静电荷。
（ELPI）第二种方法是以一种相似的得方式充电，但是没有粒径分离，从而得出总表面积。
（Epiphaniometer）第三种测量表面积的方法是使用短波光使气溶胶粒子表面发出电子。
检测到的电量是表面积的函数
3、测量单个气溶胶粒子的直读法
光学粒子计数器（OPC）、OPC可以获得单个粒子的信息，或者测定总的粒子浓度
激光粒子计数器（LPC）在一定的角度范围内，它可以检测到每个粒子的散射光，并将其转变成电脉冲。
电脉冲是一个复杂函数，但一般是粒径的递增函数。
优点：
光散射为粒子检测提供了一种相对较便宜的、非破坏性的、高速的技术。
缺点：
每个粒子的散射光与光源、检测角度的范围、粒径、形状以及粒子的折射率都有复杂的关系。
在实际情况下，预测或抵消后两个因素通常是比较困难的，因此OPC测量的粒径通常只是近似值。
对小粒子的检测灵敏度低，在最佳的条件下最低检出限为0.1μm。
OPC的辅助措施--CNC能够检测出几nm的微粒，在一定条件下，甚至能检测出1~3nm范围内的微粒
4、测量粒径分布的直读仪器
针对小粒径范围
几种形式的电分级器可以分离亚微米级的粒子，通CPC检测。
能得到几nm到0.5μm粒径范围内的高分辨率信息，但不能准确测量较大的粒子，因为大粒子很可能留有多重电荷。
浸提器组（diffusionbatteries）也可以作为直读仪器，它检测经过CPC扩散收集部件的粒子。
浸提器组比其他电分级器的分辨率要低得多，主要是作为累计采样仪器
针对大粒径范围
粒径测量最常用的仪器是OPC和LPC，这两种仪器可以在一个相对较宽的浓度和粒径范围内工作。
飞行时间粒度分级器根据测量粒子通过感应区的飞行时间可以得到粒子速度，粒子的速度是其空气动力学直径的函数。
飞行时间质量分析仪飞行时间分级原理与激光消融系统和质谱结合，从而得出与气溶胶粒径有关的化学信息。
7.7气溶胶的测量误差此部分见书上图
1、采样和传输
随着气溶胶进入气溶胶测量装置的采样口，环境空气速度与采样速度的比率、空气湍流以及粒径、形状和采样口方向都会影响到采样效率。
采样口与收集装置（如滤膜）或感应器（如光度计的检测区）的连接部分，在这些管道中会发生粒子损失，主要是由静电引力、冲击或重力沉淀以及气溶胶进一步凝结缩小等原因造成的，这通常发生在一些粒径值较大的粒径范围内，对于用以采集亚微米级粒子的装置来说，扩散也可能极大地影响粒子损失。
随着采样器布置位置的不同，粒子浓度的测量值要小于相应的真实浓度。
2、感应器的灵敏度与重合效应
直读气溶胶监控器的感应器有一个检测下限，粒径小于检测下限的粒子将不能被检测到，因此原始气溶胶粒度分布中的小粒子就不被计入。
（0.3微米）
光学粒度分级仪器中可以产生进一步的偏差，这种仪器的基础是每次在检测器观察区内只能有一个粒子。
如果观察区内有几个相互重叠的粒子，那么感应器只能记录一个粒子，而且很可能测定出粒径较大的粒子；
重叠效应使粒度分布向较大粒径区发生微小偏移，同时也减少了在该粒径范围内的粒子观察数。
重叠效应随粒子数量浓度的增大而增大。
3、粒子统计
如果采集的粒子太少，出于统计学的考虑，显示的粒径分布可能不能反映出真实的粒径分布。
因为粒子体积与粒径的立方有关，少数大粒子的质量比一些小粒子的总质量还要大。
因此在描述一些气溶胶小粒子粒径时，通常采用数量粒径分布，而不用体积和质量分布。
当研究某一粒径范围内的粒子时，必须在该粒径范围内采集足够多的粒子。
每个粒径的表面积和体积乘以在各自的粒径范围内的粒子数量，若知道粒子密度，就可以将粒子的粒径分布转化为质量分布。
这些附加参数（数量、表面积或体积）表示出的气溶胶粒径分布也可以生成一条平滑曲线。
当总计数减少时，数量分布曲线仍可近似认为是呈对数正态分布的。
表面积分布主要是针对粒径较大的粒子，而它们的数量通常较少。
在大粒子计数中，这些变量是很大的。
生成的体积分布曲线或质量分布曲线不理想，这是因为体积或质量分布（阴影部分）更注重大粒子。
因此，如果粒子总数较少，将粒子的数量分布转化为体积或质量分布时可能会产生很大偏差。
4、校正密度和其他物理性质
粒子的空气动力学直径可以转化为物理直径，方法是将粒子的空气动力学直径除以粒子密度的平方根。
已知物理直径的粒子与物理直径比它大而密度比它小的粒子沉降在呼吸道中相同区域内。
光学粒子计数器利用单个粒子的光学特性判别粒径，因此需要校准仪器，通常，这些计数器及光度计是利用球形不吸光的气溶胶校准的，一般是邻苯二甲酸二辛酯（DOP）或聚苯乙烯橡胶（PSL）的球形粒子。
5、粒径分布数据的表示方法
微分图（柱状图法）可以更好地表示分布形状：
模态直接呈现，偏差产生的任何影响只限制在一个狭窄的粒径范围内。
累积图可以更好地估计出气溶胶的中值直径，不使用计算机就可以对数据进行较简单的绘图描述。
6、粒径选择
应当根据采样目的选择气溶胶监测器。
用一种气溶胶进行过校准的光度计，如果测量另一种化学成分和粒径分布完全不同的气溶胶时，将出现偏差。
这种偏差可以针对特定的气溶胶而调整，方法是：
使气溶胶通过位于感应器下方或与感应器平行的滤膜，并调整感应器的读数使之等于滤膜上的浓度测量值。
只要气溶胶的种类和粒径分布保持不变，这种调整过程就是有效的。
八、气溶胶的采样与输送
8.1绪论
一个气溶胶采样系统包括：
1.从周围环境中将气溶胶抽入采样口中（其外形和几何形状各不相同；
2.样品输送系统即把气溶胶样品送入测量设备或储存室管道装置（这些元件或流量装置，包括软管、弯头和压缩机等组件）；
3.样品储存区（根据需要选择）。
（见书上图）
使用样品采集系统，最重要的是能采集到人们所希望的粒径范围内的样品。
采样过程中影响气溶胶样品代表性
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