研究萬億分之一級的氨含量對成核過程的影響

 

引言

 

氨在大氣化學中具有重要的作用，主要表現在其可與各類酸反應形成氣溶膠，并且促進了新顆粒進行三元均勻成核，因此普遍認為，低濃度氨已經對成核效率起到了促進作用。但對這一促進作用的實際大小還存在爭議，為了將氨的作用量化，多種方法用于檢測氨的含量。如化學電離質譜法CIM，氧化鉬轉變法和檸檬酸鹽分解法等，其中CIM法最為被推崇，其優勢在于時間分辨率高響應快，但同時高背景導致了低檢測限。除此之外，對氨濃度測定的難度還在于氨的狀態介于氣體和氣溶膠之間，難以將氣態氨與顆粒態隔離，可以被各種表面吸附產生氫鍵，并且擴散系數較高，這些都導致采樣中樣品流失和低響應時間。本文中采用的氨檢測在CERN的云霧室中進行，實驗旨在研究pptv級的氨含量對硫酸/水成核速率的影響，實驗前杜絕了相關氣溶膠的出現，從而避免了氣態與顆粒氨的分離，再加上新型的取樣線設計將采樣損失降至最低，通過長程吸收光譜法高時間分辨地確定pptv級氨的混合比例。

 

實驗方法及裝置

 

貝賽羅顯色法（氨與次氯酸鈉和酚在堿性溶液中反應生成藍色靛酚，在640nm存在吸收），催化劑為亞硝基鐵氰化鈉，為了增加響應采用LWCC液體波導毛細管池，附加紅色LED光源，檢測設備為海洋光學USB2000光譜儀。

 

從Lambert-Beer定律可以得知，靛酚濃度與吸光度成正比，因此氨正比于吸光度，儀器的背景定期扣除，在線檢測每2s輸出數據，將云霧室內濃度與儀器背景的差值作為氨濃度。云霧室為直徑3m，總26.1m3的不銹鋼圓筒，云霧室內溫度精確調控，穩定性在0.01K，純凈空氣為液氮與液氧79：21氣化混合得到，痕量氣體SO2和NH3通入前用該純凈空氣稀釋，由各自的不銹鋼管路進入室內，以避免交叉污染。

圖1 裝置圖示：R1和R2分別表示酚+硝基氫氰酸和次氯酸鹽加入.

 

結論

 

根據圖2，儀器響應在400nM內為線性，符合下列等式：ABS=（0.0013+2.4*10-5）[NH4]，ABS為吸光度，檢測限為35pptv。

圖2不同銨根濃度得到的定標曲線.

 

不同氨含量的成核速率在中性宇宙射線和帶電介子束條件下檢測，成核速率對少量氨的加入十分敏感，氨濃度從35pptv增加至100pptv，中性和離子誘導成核率增加了10倍，在200pptv，成核速率達到飽和，這些觀察結果表明，成核速率在氨含量低于100pptv時極度依賴氨含量。

圖3 292K，[H2SO4]=1.2x108cm-3時成核速率與氨濃度的關系.