大气OH自由基总反应性测量装置及其应用研究

发布时间：2020-11-16 08:19

　　 羟基自由基(OH)是一种重要的大气氧化剂,在对流层臭氧和二次有机气溶胶的形成中起着关键作用,并控制着影响全球气候变化的大气痕量气体的寿命。因此,全面了解OH自由基源和汇对于理解这些过程至关重要。羟基自由基(OH)总反应性是OH自由基寿命的倒数,是所有与OH自由基反应的气体的浓度乘积及其反应速率系数的总和,它也是OH自由基化学的一个重要指标,可用来研究OH自由基的汇。目前,OH自由基总反应性已被用于研究OH自由基汇的预算研究,然而由于部分痕量活性组分至今无法测量,使得依靠痕量气体浓度计算获得OH自由基总反应性存在着不完整性。因此,实际大气中的OH自由基总反应性的直接测量可以更好的确定模型中用于预测空气质量和臭氧产生的测量的全面性,并与OH自由基浓度的测量结合起来,以评估我们对OH产生速率的了解。与此同时,OH自由基参与的关键化学反应过程是大气化学的核心研究内容,与之相关的自由基反应动力学研究对于理解这些关键化学反应过程至关重要。本论文围绕OH自由基总反应性,开展高灵敏度OH自由基总反应性探测装置的构建及应用研究。论文的主要工作及创新如下:1.使用中心波长为2.8 μm的可调谐二极管激光器为光源,结合266 nm闪光光源,建立了一套新型的闪光光解-磁旋转光谱检测系统。基于磁旋转原理,通过266 nm波长激光闪光光解混合有水的样品空气中的O3产生OH自由基,利用2.8 μm中红外磁旋转吸收光谱直接测量OH自由基浓度的衰减,基于准一级假设对OH自由基的衰减曲线进行拟合,得到所测的OH自由基总反应性。2.通过对测量装置进行的一系列光学参数的标定,最终确定在紫外光解激光(266纳米)光束与探测激光重叠光路为25米的条件下,OH自由基浓度和总反应性的探测极限分别为4×106molecule/cm3(56秒)和0.09 s-1(112秒),整个过程通过LabVIEW程序进行控制。研究结果表明闪光光解-磁旋转光谱可用于OH总总反应性和OH自由基反应动力学的直接测量。开展了不同活性组分中OH自由基总反应性测定的实验室研究,综合文献报道结果,验证了仪器的可行性,成功将其应用于零空气中OH自由基总反应性的测定。3.基于闪光光解-磁旋转光谱(LFP-FRS)装置,以烷烃、一氧化碳以及烯烃为例,研究了不同压力条件下OH自由基的反应速率。通过直接测量反应腔中OH自由基浓度的衰减,在准一级近似反应条件下获得了甲烷、乙烷、丙烷和一氧化碳以及乙烯和丙烯与OH自由基反应的速率常数,并对比了不同压力条件下反应速率常数的变化。利用化学模型,对其化学过程中存在的多个反应通道进行了模拟,为OH自由基相关的重要大气化学机制及反应过程研究奠定了基础,验证了不同压力条件下仪器运行的可行性。4.2019年4-7月的青藏高原外场观测研究了纳木错地区OH自由基总总反应性的变化。在这一背景区域,测得的OH自由基总反应性值在1-6 s-1之间变化,凌晨和傍晚时分可达到最高值约为6s-1,在中午时刻达到最小约为1 s-1。同年在合肥科学岛也展开了 OH自由基总反应性的实际探测。在这一城市郊区,测得的OH自由基的总反应性在白天的晨间会达到最高值,约为40 s-1,且表现出明显的日间变化。日间OH自由基总反应性主要受人为源排放,如一氧化碳和氮氧化物,以及植物释放的烯烃类的物质的影响。后续将进一步加强实际测量与计算所得的OH自由基总反应性的比对及分析。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P467;TN249
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 大气中的OH自由基
    1.2 OH自由基参与的大气化学过程
    1.3 OH自由基总反应性
        1.3.1 OH自由基总反应性的定义
        1.3.2 大气OH自由基总反应性的研究意义
    1.4 OH自由基总反应性的测量技术
        1.4.1 间接测量OH自由基总反应性
        1.4.2 半直接测量OH自由基总反应性
        1.4.3 直接测量OH自由基总反应性
    1.5 本文的主要研究目的及内容
第2章 磁旋转光谱技术测量OH自由基的相关理论
    2.1 吸收光谱技术
        2.1.1 Lambert-Beer定律
        2.1.2 吸收谱线线型函数
    2.2 波长调制光谱技术
    2.3 磁旋转光谱技术
        2.3.1 磁旋转光谱技术的原理
        2.3.2 磁旋转光谱技术的应用
        2.3.3 OH自由基吸收线选择
    2.4 本章小结
第3章 OH自由基总反应性装置的构建
    3.1 基本原理
    3.2 OH自由基总反应性测定装置
        3.2.1 多通池
        3.2.2 光路的构建
        3.2.3 气路传输
        3.2.4 OH自由基的生成效率
        3.2.5 准一级假设
        3.2.6 OH自由探测
        3.2.7 数据采集过程
    3.3 实验装置参数确定
        3.3.1 激光器标定
        3.3.2 最优偏转角度
        3.3.3 最优振幅
        3.3.4 最优磁场
        3.3.5 中心电流及信噪比的确定
    3.4 OH自由基浓度标校曲线
        3.4.1 直接吸收光谱测量水的浓度
        3.4.2 二次谐波检测OH自由基浓度
        3.4.3 磁旋转光谱技术测定OH自由基浓度
    3.5 系统稳定性及探测极限评估
    3.6 仪器测试
        3.6.1 单一组分气体中OH自由基总反应性的测定
        3.6.2 多组分气体中OH自由基总反应性的测定
    3.7 零空气中的总反应性
        3.7.1 OH自由基在零空气中的衰减
0的确定'>        3.7.2 k'₀的确定
    3.8 本章小结
第4章 不同压力下OH自由基反应速率的研究
    4.1 OH自由基与烷烃反应的研究
4）,乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）的反应'>        4.1.1 OH自由基与甲烷（CH₄）,乙烷（C₂H₆）和丙烷（C₃H₈）的反应
4）的反应'>        4.1.2 模拟OH自由基与甲烷（CH₄）的反应
        4.1.3 不同压力下OH自由基与甲烷,乙烷和丙烷的反应速率研究
    4.2 OH自由基与一氧化碳反应的研究
        4.2.1 OH自由基与一氧化碳（CO）的反应
        4.2.2 不同压力下OH自由基与一氧化碳的反应速率研究
    4.3 OH自由基与烯烃反应的研究
2H₄）,丙烯（C₃H₆）的反应'>        4.3.1 OH自由基与乙烯（C₂H₄）,丙烯（C₃H₆）的反应
        4.3.2 不同压力下,OH自由基与乙烯的反应速率研究
    4.4 压力对测量结果的影响
    4.5 本章小结
第5章 OH自由基总反应性探测装置在外场中的应用
    5.1 纳木措站点OH总反应性的测定
    5.2 合肥地区OH总反应性的测定
    5.3 观测总结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 本论文创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

【参考文献】

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2 阚瑞峰;刘文清;张玉钧;刘建国;董凤忠;王敏;高山虎;陈东;;基于可调谐激光吸收光谱的大气甲烷监测仪[J];光学学报;2006年01期

3 李宁,王飞,严建华,马增益,岑可法;利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度的测量[J];中国电机工程学报;2005年15期

4 任信荣,邵可声,唐孝炎;激光诱导荧光技术测量OH自由基的建立和研究[J];光谱实验室;2000年02期

本文编号：2885843