大氣OH自由基總反應性測量裝置及其應用研究
發(fā)布時間：2020-11-16 08:19
羥基自由基(OH)是一種重要的大氣氧化劑,在對流層臭氧和二次有機氣溶膠的形成中起著關鍵作用,并控制著影響全球氣候變化的大氣痕量氣體的壽命。因此,全面了解OH自由基源和匯對于理解這些過程至關重要。羥基自由基(OH)總反應性是OH自由基壽命的倒數,是所有與OH自由基反應的氣體的濃度乘積及其反應速率系數的總和,它也是OH自由基化學的一個重要指標,可用來研究OH自由基的匯。目前,OH自由基總反應性已被用于研究OH自由基匯的預算研究,然而由于部分痕量活性組分至今無法測量,使得依靠痕量氣體濃度計算獲得OH自由基總反應性存在著不完整性。因此,實際大氣中的OH自由基總反應性的直接測量可以更好的確定模型中用于預測空氣質量和臭氧產生的測量的全面性,并與OH自由基濃度的測量結合起來,以評估我們對OH產生速率的了解。與此同時,OH自由基參與的關鍵化學反應過程是大氣化學的核心研究內容,與之相關的自由基反應動力學研究對于理解這些關鍵化學反應過程至關重要。本論文圍繞OH自由基總反應性,開展高靈敏度OH自由基總反應性探測裝置的構建及應用研究。論文的主要工作及創(chuàng)新如下:1.使用中心波長為2.8 μm的可調諧二極管激光器為光源,結合266 nm閃光光源,建立了一套新型的閃光光解-磁旋轉光譜檢測系統�；诖判D原理,通過266 nm波長激光閃光光解混合有水的樣品空氣中的O3產生OH自由基,利用2.8 μm中紅外磁旋轉吸收光譜直接測量OH自由基濃度的衰減,基于準一級假設對OH自由基的衰減曲線進行擬合,得到所測的OH自由基總反應性。2.通過對測量裝置進行的一系列光學參數的標定,最終確定在紫外光解激光(266納米)光束與探測激光重疊光路為25米的條件下,OH自由基濃度和總反應性的探測極限分別為4×106molecule/cm3(56秒)和0.09 s-1(112秒),整個過程通過LabVIEW程序進行控制。研究結果表明閃光光解-磁旋轉光譜可用于OH總總反應性和OH自由基反應動力學的直接測量。開展了不同活性組分中OH自由基總反應性測定的實驗室研究,綜合文獻報道結果,驗證了儀器的可行性,成功將其應用于零空氣中OH自由基總反應性的測定。3.基于閃光光解-磁旋轉光譜(LFP-FRS)裝置,以烷烴、一氧化碳以及烯烴為例,研究了不同壓力條件下OH自由基的反應速率。通過直接測量反應腔中OH自由基濃度的衰減,在準一級近似反應條件下獲得了甲烷、乙烷、丙烷和一氧化碳以及乙烯和丙烯與OH自由基反應的速率常數,并對比了不同壓力條件下反應速率常數的變化。利用化學模型,對其化學過程中存在的多個反應通道進行了模擬,為OH自由基相關的重要大氣化學機制及反應過程研究奠定了基礎,驗證了不同壓力條件下儀器運行的可行性。4.2019年4-7月的青藏高原外場觀測研究了納木錯地區(qū)OH自由基總總反應性的變化。在這一背景區(qū)域,測得的OH自由基總反應性值在1-6 s-1之間變化,凌晨和傍晚時分可達到最高值約為6s-1,在中午時刻達到最小約為1 s-1。同年在合肥科學島也展開了 OH自由基總反應性的實際探測。在這一城市郊區(qū),測得的OH自由基的總反應性在白天的晨間會達到最高值,約為40 s-1,且表現出明顯的日間變化。日間OH自由基總反應性主要受人為源排放,如一氧化碳和氮氧化物,以及植物釋放的烯烴類的物質的影響。后續(xù)將進一步加強實際測量與計算所得的OH自由基總反應性的比對及分析。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P467;TN249
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
1.1 大氣中的OH自由基
1.2 OH自由基參與的大氣化學過程
1.3 OH自由基總反應性
1.3.1 OH自由基總反應性的定義
1.3.2 大氣OH自由基總反應性的研究意義
1.4 OH自由基總反應性的測量技術
1.4.1 間接測量OH自由基總反應性
1.4.2 半直接測量OH自由基總反應性
1.4.3 直接測量OH自由基總反應性
1.5 本文的主要研究目的及內容
第2章 磁旋轉光譜技術測量OH自由基的相關理論
2.1 吸收光譜技術
2.1.1 Lambert-Beer定律
2.1.2 吸收譜線線型函數
2.2 波長調制光譜技術
2.3 磁旋轉光譜技術
2.3.1 磁旋轉光譜技術的原理
2.3.2 磁旋轉光譜技術的應用
2.3.3 OH自由基吸收線選擇
2.4 本章小結
第3章 OH自由基總反應性裝置的構建
3.1 基本原理
3.2 OH自由基總反應性測定裝置
3.2.1 多通池
3.2.2 光路的構建
3.2.3 氣路傳輸
3.2.4 OH自由基的生成效率
3.2.5 準一級假設
3.2.6 OH自由探測
3.2.7 數據采集過程
3.3 實驗裝置參數確定
3.3.1 激光器標定
3.3.2 最優(yōu)偏轉角度
3.3.3 最優(yōu)振幅
3.3.4 最優(yōu)磁場
3.3.5 中心電流及信噪比的確定
3.4 OH自由基濃度標校曲線
3.4.1 直接吸收光譜測量水的濃度
3.4.2 二次諧波檢測OH自由基濃度
3.4.3 磁旋轉光譜技術測定OH自由基濃度
3.5 系統穩(wěn)定性及探測極限評估
3.6 儀器測試
3.6.1 單一組分氣體中OH自由基總反應性的測定
3.6.2 多組分氣體中OH自由基總反應性的測定
3.7 零空氣中的總反應性
3.7.1 OH自由基在零空氣中的衰減
0的確定'> 3.7.2 k'0的確定
3.8 本章小結
第4章 不同壓力下OH自由基反應速率的研究
4.1 OH自由基與烷烴反應的研究
4）,乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）的反應'> 4.1.1 OH自由基與甲烷（CH4）,乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）的反應
4）的反應'> 4.1.2 模擬OH自由基與甲烷（CH4）的反應
4.1.3 不同壓力下OH自由基與甲烷,乙烷和丙烷的反應速率研究
4.2 OH自由基與一氧化碳反應的研究
4.2.1 OH自由基與一氧化碳（CO）的反應
4.2.2 不同壓力下OH自由基與一氧化碳的反應速率研究
4.3 OH自由基與烯烴反應的研究
2H4）,丙烯（C3H6）的反應'> 4.3.1 OH自由基與乙烯（C2H4）,丙烯（C3H6）的反應
4.3.2 不同壓力下,OH自由基與乙烯的反應速率研究
4.4 壓力對測量結果的影響
4.5 本章小結
第5章 OH自由基總反應性探測裝置在外場中的應用
5.1 納木措站點OH總反應性的測定
5.2 合肥地區(qū)OH總反應性的測定
5.3 觀測總結
第6章 結論與展望
6.1 結論
6.2 本論文創(chuàng)新點
6.3 展望
參考文獻
致謝
在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的其它研究成果
【參考文獻】
本文編號：2885843
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P467;TN249
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
1.1 大氣中的OH自由基
1.2 OH自由基參與的大氣化學過程
1.3 OH自由基總反應性
1.3.1 OH自由基總反應性的定義
1.3.2 大氣OH自由基總反應性的研究意義
1.4 OH自由基總反應性的測量技術
1.4.1 間接測量OH自由基總反應性
1.4.2 半直接測量OH自由基總反應性
1.4.3 直接測量OH自由基總反應性
1.5 本文的主要研究目的及內容
第2章 磁旋轉光譜技術測量OH自由基的相關理論
2.1 吸收光譜技術
2.1.1 Lambert-Beer定律
2.1.2 吸收譜線線型函數
2.2 波長調制光譜技術
2.3 磁旋轉光譜技術
2.3.1 磁旋轉光譜技術的原理
2.3.2 磁旋轉光譜技術的應用
2.3.3 OH自由基吸收線選擇
2.4 本章小結
第3章 OH自由基總反應性裝置的構建
3.1 基本原理
3.2 OH自由基總反應性測定裝置
3.2.1 多通池
3.2.2 光路的構建
3.2.3 氣路傳輸
3.2.4 OH自由基的生成效率
3.2.5 準一級假設
3.2.6 OH自由探測
3.2.7 數據采集過程
3.3 實驗裝置參數確定
3.3.1 激光器標定
3.3.2 最優(yōu)偏轉角度
3.3.3 最優(yōu)振幅
3.3.4 最優(yōu)磁場
3.3.5 中心電流及信噪比的確定
3.4 OH自由基濃度標校曲線
3.4.1 直接吸收光譜測量水的濃度
3.4.2 二次諧波檢測OH自由基濃度
3.4.3 磁旋轉光譜技術測定OH自由基濃度
3.5 系統穩(wěn)定性及探測極限評估
3.6 儀器測試
3.6.1 單一組分氣體中OH自由基總反應性的測定
3.6.2 多組分氣體中OH自由基總反應性的測定
3.7 零空氣中的總反應性
3.7.1 OH自由基在零空氣中的衰減
0的確定'> 3.7.2 k'0的確定
3.8 本章小結
第4章 不同壓力下OH自由基反應速率的研究
4.1 OH自由基與烷烴反應的研究
4）,乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）的反應'> 4.1.1 OH自由基與甲烷（CH4）,乙烷（C2H6）和丙烷（C3H8）的反應
4）的反應'> 4.1.2 模擬OH自由基與甲烷（CH4）的反應
4.1.3 不同壓力下OH自由基與甲烷,乙烷和丙烷的反應速率研究
4.2 OH自由基與一氧化碳反應的研究
4.2.1 OH自由基與一氧化碳（CO）的反應
4.2.2 不同壓力下OH自由基與一氧化碳的反應速率研究
4.3 OH自由基與烯烴反應的研究
2H4）,丙烯（C3H6）的反應'> 4.3.1 OH自由基與乙烯（C2H4）,丙烯（C3H6）的反應
4.3.2 不同壓力下,OH自由基與乙烯的反應速率研究
4.4 壓力對測量結果的影響
4.5 本章小結
第5章 OH自由基總反應性探測裝置在外場中的應用
5.1 納木措站點OH總反應性的測定
5.2 合肥地區(qū)OH總反應性的測定
5.3 觀測總結
第6章 結論與展望
6.1 結論
6.2 本論文創(chuàng)新點
6.3 展望
參考文獻
致謝
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【參考文獻】
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4 任信榮,邵可聲,唐孝炎;激光誘導熒光技術測量OH自由基的建立和研究[J];光譜實驗室;2000年02期
本文編號：2885843
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