霧霾中有機微生物凝聚粒子群對光傳播的影響

趙紅　趙欣穎

摘 要：霧霾天氣會給人們的生產生活帶來諸多負面影響。本文通過建模仿真，研究了霧霾中的有機微生物凝聚粒子對光傳播的影響。研究結果表明：霧霾中生物顆粒的消光作用不容忽視。當霧霾中有機凝聚粒子所含原始微粒的數目、半徑和孔隙率增加，入射光越難透過，大氣能見度下降。在重霾天氣（nt>600/cm3），4m開外處，激光仿真條件下，透過率小于10%。仿真給出的數據對環境治理和大氣監測等，具有一定的參考價值。

關鍵詞：霧霾 有機微生物凝聚粒子 透過率

中圖分類號：X513 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0112-04

近幾年，大氣污染情況越來越嚴重，連續的霧霾天氣給人們的生產生活帶來了諸多負面影響。霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標的籠統表述，尤其是PM2.5（空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物）被認為是造成霧霾天氣的“元兇”。PM2.5的煙塵粒子對引起肺癌死亡及患上其他嚴重呼吸道相當危險，因為達到這一尺寸的顆粒物質可以侵入人體的防御系統，侵害深部肺部組織，因此多項調查都將2.5μm作為一個臨界尺寸。西安交大微納中心在對霧霾的研究中給出了霧霾成分的電鏡圖，如圖1所示。從圖中可以看出，霧霾的成分復雜，顆粒結構多變。據報道，霧霾中在包含了大量的無機化合物，例如硫酸鹽顆粒、鐵氧化物顆粒的同時，也包含大量的有機微生物粒子，例如花粉顆粒、細菌病毒等。在霧霾天氣，人們最直觀的感受是能見度差，出行不便。這是由于霧霾中細小的顆粒由于靜電、碰撞粘附而形成凝聚粒子，懸浮在空中，阻礙了光線的傳播。本文通過建模仿真，重點研究了霧霾中的有機微生物凝聚粒子對光傳播的影響。研究結果所給出的數據對環境治理和大氣監測等，具有一定的參考價值。

1 基本模型

圖2是在霧霾中常見的某曲霉真菌孢子微生物的掃描電鏡照片，放大5000倍。由于材料在釋放后會發生碰撞、粘附等作用，因此用顯微鏡觀察其原始狀態。在電子顯微鏡下觀察到該孢子是黑色球體，粒徑分布集中，平均半徑1.5μm。表面有明顯的突起物，有粒子團聚形成含有孔隙的結構。圖中材料的光學特征參數復折射率m用Krames-Kronig（K-K）關系[1]來計算。微生物材料在空中漂浮凝聚，采用團簇-團簇凝聚（Cluster-Cluster Aggregation，CCA）模型[2]模擬，模擬結果如圖3所示。

從圖3可以看出，該曲霉孢子凝聚粒子的空間結構局部與整體結構相似，具有重復性、自相關性。結構并不質密，有孔隙和分支。設凝聚粒子包含原始基本粒子的個數是M；凝聚粒子外接球回旋半徑為Rg，兩者的關系為[8]：

孢子凝聚粒子的空間結構確定后，采用離散偶極子近似（Discrete-Dipole Approximation，DDA）計算該粒子對光的單次散射參量。Bruce T. Draine指出，DDA 算法的使用條件是丨m-1丨≤3，m是目標的復折射率。課題組前期多次研究表明，生物細胞粒子的折射率m一般在1～2之間，符合DDA使用條件。

光在霧霾中有機凝聚粒子群中的傳輸是多次散射過程，不能簡單的用朗伯比爾定律計算。我們采用隨機過程思想，結合蒙特卡羅方法（Monte Carlo Method）仿真。計算機重復100000次以下過程：計算機產生隨機數模擬單個光子在介質中的隨機行走和散射，光子初始位置在入射面和光軸相交點（0，0，0），以一定角度入射煙幕，根據煙幕中粒子濃度和粒子消光截面，確定光子行進的路程和碰撞點位置；光子在煙幕中運動到不同位置吸收系數不同，被分配不同權重。設置一個閾值，如光子權重大于閾值，則光子繼續在煙幕中運動，被分配新的散射方向，根據光子的運動方向和權重，計算光子在該點直接透射出去的概率。以上過程重復進行，直到光子權重小于閾值，或離開煙幕。跟蹤足夠數量的光子，就可得到較為穩定的入射光透過某曲霉孢子群的統計結果。

2 數值計算和結果分析

2.1 凝聚粒子所含的原始微粒數目

如圖4所示，隨著原始粒子數M的增加，消光截面Cext整體呈現上升趨勢。原因是隨著原始顆粒數量的增加，紅外吸收和散射也增加，這導致某曲霉凝聚孢子紅外衰減增強。另外，由于凝聚物孔隙率的波動，如圖5所示，消光截面曲線也是波動的。雖然具有更多的分支，但具有高孔隙度的團塊的空間結構是松散的，這阻礙了某曲霉孢子凝聚粒子的紅外衰減性能。

2.2 凝聚粒子的孔隙率

從方程式（2）和圖6可以看出，隨著旋轉Rg半徑的增大，孔隙率P也增大。這是因為旋轉半徑越大，空間分支越多。這意味著一定數量的凝聚孢子空間結構松散，孔隙率也在增加。

如圖7所示，當M相對較小時，顆粒團聚過程具有很強的隨機性，團聚顆粒形成的空間結構差異較大，孔隙度波動更嚴重。隨著原始顆粒數量的增加，出現的枝數越來越多，空間結構中的孔洞也越來越大，孔隙度值也越來越大。隨著原始粒子數量的不斷增加，由于克服了路徑上其他粒子的阻力，粒子進入結構的概率變得很小。大部分的外顆粒聚集在孔口周圍，形成密封效果，孔隙趨于穩定。

圖8給出在孢子凝聚粒子所含原始微粒數目M和半徑r不變，凝聚粒子群的測量區域厚度為4m，凝聚粒子數密度200/cm3的情況下，透過率T與單個凝聚粒子孔隙率P的關系。由圖8可見，粒子群的透過率T隨孔隙率P的增加而增加。

2.3 原始微粒半徑、測量區域凝聚粒子的濃度與厚度

為了說明原始微粒粒徑r、測量區域凝聚粒子群厚度d對微生物凝聚粒子群透過率T的影響，本文計算了由20個原始微粒組成，r從0.25～2μm均勻變化的某曲霉孢子凝聚粒子群（凝聚粒子數密度200/cm3）在10.6μm激光照射下的透過率。

由圖9可以看出，透過率T隨原始微粒半徑r的增加先是迅速下降，后緩慢減小。同時，在r一定時，透過率隨測量區域粒子群厚度d的增加而減小。當凝聚粒子數密度一定，d=2m曲線下降的斜率約為-1，d<2m時，透過率T與原始微粒半徑r呈弱負相關；隨著d增加，d>2m后，T與r呈強負相關，r在很小的變化范圍內就可以使凝聚粒子群的透過率T下降到20%以下。

用Monte Carlo方法仿真了孢子凝聚粒子群的粒子數密度nt對激光透過率T的影響。此情境對應于霧霾的嚴重程度。基于電鏡圖觀察結果（見圖1），每個孢子平均半徑為1.5μm，取每個孢子凝聚粒子平均包含20個原始微粒為M參數，以CCA構建凝聚粒子的空間結構，測量區域厚度4m。從圖10可以看出，隨著nt的增加，T迅速減小，在nt>600/cm3后（極度重霾），T<10%。

3 結語

數值仿真結果表明：霧霾中的生物顆粒的消光作用不容忽視。當霧霾中有機凝聚粒子所含原始微粒的數目、半徑和孔隙率增加，入射光越難透過，大氣能見度下降。在重霾天氣（nt>600/cm3），4m開外處，激光仿真條件下，透過率小于10%。

通過上述模型和結論，可用于監測霧霾形成規模和估算霧霾對能見度的影響。對霧霾中的有機成分進行采樣制片后，在電鏡下觀察其結構。結合上述構建的數學仿真模型，通過分析有機凝聚粒子群的物理結構，可估算出該霧霾的程度等級以及能見度。

參考文獻

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