气溶胶
气落胶（Aerosol）是指悬浮在大气（或其他气体）中的液体或固体微粒构成的分散体系，这样的系统称为气溶胶系统。气溶胶由分散相和分散介质两部分组成，其中分散介质是承载微粒物的气体，通常指空气，而微粒物则是多种多样的。气溶胶的来源包括陆地尘埃、人类活动等多种因素，其常见的形态有烟、尘、霾、雾等，可以按不同方式进行分类。气溶胶能够参与环境化学过程、导致能见度降低以及影响气候等，具有一定的环境效应和危害性。气溶胶被广泛应用于生产生活中，例如消防领域的气溶胶灭火器、医药领域的气雾剂和粉雾剂等。
来源
化学组成
气溶胶粒子的化学组成十分复杂，是由多种元素或化合物组成的，其来源、粒径大小、地点和季节等因素都会影响其组成。来自地表土及污染源的粉尘通常富含Fe、Al、Si、Na、Mg、Cl等元素；二次污染物的气溶胶粒子则含有硫酸盐、铵盐和有机化合物等；地壳组成元素（如Si、Ca、Al、Fe等）主要存在于粗粒子模中；而硫酸盐气溶胶粒子多居于积聚模中。硫酸盐是气溶胶中最重要的成分之一，苯溶有机物、硝酸盐、铁、锰等少量金属元素也很重要。大陆性气溶胶与人类活动密切相关的化学成分可以分为离子成分（如硫酸盐、硝酸盐）、微量元素成分和有机物成分等。
离子成分
硫酸及硫酸盐气溶胶粒子
在煤、石油等矿物燃料的燃烧过程中，大量的二氧化硫排放到大气中，其中一部分SO2会被氧化成硫酸或硫酸盐并混入气溶胶粒子中，这导致土地和海洋的气溶胶平均含有15%~25%和30%~60%的硫酸根。多数陆地性气溶胶粒子有相似特征，其大部分硫酸根和氨根都集中在积聚模中，而粒径分布没有明显差别。硫酸盐气溶胶粒子小，漂浮在大气中并影响能见度，仅在0.1~1.0μm范围内的气溶胶粒子能够对光线产生有效的散射。当硫酸盐占颗粒物质量的17%时，它引起的光散射占整个气溶胶造成光散射作用的32%。此外，硫酸盐也是损害人体健康、造成酸雨的关键成分。
硝酸及硝酸盐气溶胶粒子
大气中的一氧化氮可以通过氧化作用形成二氧化氮和五氧化二氮等氮氧化物，与蒸汽反应后形成亚硝酸和硝酸，由于它们的易挥发性，难以形成凝聚状的硝酸。通常，这些物质会经过反应形成低挥发性的硝酸盐类，然后再发生成核和凝结生长作用，最终形成颗粒物。此外，在空气中，氮氧化物也可以被水滴吸收，随后被水中的氧气或臭氧氧化成硝酸根并促进其溶解，从而增加颗粒物生成的速度。几乎所有地区硫酸根都在细粒子中占优势，硫酸盐气溶胶和硝酸盐气溶胶的形成对气溶胶的粒子分布也有影响。
微量元素成分
气溶胶粒子中含有70余种元素，其中Cl、Br和I主要以气体形式存在于大气中，分别占总量的2%、3.5%和17.0%。其中，Cl主要分布在粗模范围，而Si、Fe、Al等地壳元素则通常以氧化物的形式存在于粗模中；Zn、Cd、Ni等元素则主要存在于细粒子中。这些微量元素的来源是多样化的，包括天然来源和人类活动，它们都属于一次气溶胶粒子。不同类型的污染源会排放出不同的元素，气溶胶粒子中的微量元素随污染源的不同，其种类和含量也不一样，在不同城市和地区以及同一地区不同时期的排放量也各有所不同，且各种微量元素在粗、细粒子中的分布也不一样。
有机物成分
气溶胶粒子中的有机物种类繁多，包括烃、亚硝胺、氮杂环化合物、环己酮、醌类化合物、酚和酸类等。其中，烷烃、烯烃、芳香烃和多环芳烃等是主要成分。这些有机物的粒径一般在0~10μm之间，大部分是2μm以下的细颗粒，它们的浓度因地而异，从μg/m3到mg/m3不等。有机物的一次颗粒物主要来自于煤和石油的燃烧过程。部分碳氢在高温下发生分解，产生乙炔和1,3-丁二烯等物质；同时，在400-500℃左右，多环芳烃化合物被生成，还会排出一些低级烃和醛类有机化合物。不完全燃烧时，有机物释放至大气中，通过化学转化形成二次颗粒物的速度较慢，一般小于2%。
分类及形态
常用分类方式
颗粒物生成原因
分散性气溶胶：固态或液态物质经粉碎、喷射，形成微小粒子，分散在大气中形成的气溶胶。
凝聚性气溶胶：由气体或蒸汽（其中包括固态物升华而成的蒸汽）遇冷凝聚成液态或固态微粒而形成的气溶胶。
颗粒物的物理状态
固态气溶胶（烟、尘等）：尘是悬浮于气体介质中的小固体颗粒，通常是由固体物质的破碎、研磨等机械过程，或土壤、岩石的风化等自然过程形成的；烟是某些物质在高温下蒸发或升华后进入大气中，再冷凝成固体微粒，如铅烟、煤烟（炭粒）等。
液态气溶胶（雾等）：雾是气体中液滴悬浮体的总称，它是由于液体蒸气的凝结、液体的雾化及化学反应等过程形成的，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等，雾有薄雾与浓雾之分，是液态气溶胶。
固液混合气溶胶（烟雾）：烟雾是固液混合态气溶胶，当烟和雾同时形成时，就构成了烟雾，例如化学烟雾等。
气溶胶粒径大小
总悬浮颗粒物（TSP）：标准大容量颗粒采样器在滤膜上收集到的颗粒物的总质量，是分散在大气中各种粒子的总称，系指大气中粒径小于 100μm 的所有固体颗粒。
飘尘：可在大气中长期飘浮的悬浮物，其粒径小于10μm的微粒。
降尘：粒径大于10μmm，由于自身的重力作用会很快沉降下来的微粒。
可吸入颗粒物（IP）：易于通过呼吸过程而进入呼吸道的粒子，粒径小于 5μm ，多滞留在急性上呼吸道感染，因此称为可吸入颗粒物（IP、PM10、PM2.5）。
其他分类方式
按形成过程的差异分为粉尘、烟气、烟和轻雾等；按对能见度的影响以及颜色差异分为轻雾、浓雾、霾和烟雾等。
常见形态及形成特征
物理性质
粒径和分散度
气溶胶的粒径不一，大颗粒容易沉降，难以持续悬浮在空气中，沉降相当快，只能在强气流中保持悬浮状态。由于在不同粒径大小下气溶胶的物理特性有很大不同，为了分类需要按照颗粒大小进行划分。但实际上，气溶胶不是单一颗粒，而是由各种大小的颗粒混合而成。为了表示颗粒大小的比例，可以使用分散度这一概念，它表示颗粒占总物质量的百分数，差异越大，分散度越高。气溶胶包括很大的分散度范围，而常见气溶胶粒径大小在1×10-4~1×10-7m之间。
光学特性
气溶胶的光学特性主要表现为气溶胶粒子对光的散射和吸收作用。气溶胶粒子对光的散射和吸收的有效范围为0.1~1.0μm，属于细粒子范围。在胶体物系中主要发生的是丁达尔效应。当强烈的太阳光线进入一个黑暗房间时，可以看到许多尘土微粒在空气中运动，实际上所看到的只是光散射的结果而已，而非真正的尘埃颗粒。气溶胶微粒发生光的散射，这也是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。
运动特性
在胶体物系中，分散介质的分子从各个方向碰撞分散相颗粒，以及分散相颗粒本身的热运动，使气溶胶中的分散相颗粒作不规则运动，这就是布朗运动，是分散介质分子对胶体颗粒碰撞的总和表现。这其中，大的胶体颗粒受到数百万次撞击，这些撞击互相抵消，而小的胶粒质点所受的撞击少得多，因此很难互相抵销，导致各个质点发生不断改变方向的不规则运动。气溶胶的布朗运动非常剧烈，气溶胶体积虽小，但仍然有一定质量，也会发生沉降和扩散现象，根据Stoke定律，沉降速度与粒子质量成正比。当微粒小时具有扩散性质；当微粒大时，由于与介质的密度差大，沉降显著。沉降是由重力引起的，而扩散则是由胶粒质点的热运动或布朗运动引起的，且与沉降方向相反，扩散就成为了阻碍沉降的因素，质点愈小，这种影响愈显著。沉降速度与扩散速度相等时，物系就达到平衡状态，即沉降平衡。
电学特性
通常大气气溶胶粒子表面有一定的电荷，所带电荷的性质和数目，取决于粒径的大小、表面状态和介电常数等。一般来说，粒径大于3μm的粒子表面常带负电荷，小于0.1μm的粒子表面常带正电，0.01~0.1μm的上述两种情都在。气溶胶粒子所带电荷的数目，可影响其凝聚速率、沉降速度和大气的导电性等。液态胶体质点在外界电场作用下，会产生电泳现象；而分散的介质在外界电场的影响下通过多孔固体的运动现象则称为电渗。胶体颗粒由于比表面积大，并吸附了分散介质中的离子，所以具有各种电学特性。气溶胶颗粒往往自带电荷或者因外部电化作用或颗粒间摩擦作用而带电。不过，由于气溶胶的介质为气体，与液溶胶相比，其电泳和凝集条件又有所不同，所以无法像对液溶胶一样使用加入电解质的方式来促进其凝聚。
环境效应及危害
参与环境化学过程
气溶胶粒子可以作为凝结核参与大气中云的形成及降水过程，并且能够为大气中化学反应过程提供巨大的表面，促进大气化学反应，从而导致了许多环境问题的产生，例如由于硫酸盐气溶胶造成的酸雨危害，光化学烟雾中生成的硫酸盐、硝酸盐气溶胶等。同时，气溶胶粒子在大气中存在远距离传输现象，甚至可以洲际输送，横跨太平洋、大西洋，对区域气候异常及全球气候环境变化有着极其重要的影响。
导致能见度降低
气溶胶能够散射和吸收太阳辐射，由此导致大气能见度下降，尤其是细粒子对能见度恶化的影响最为显著。由于经济规模的迅速扩大和城市化进程的加快，大气气溶胶污染成为日益严重的问题。能见度效应发生在局地和区域性两个空间尺度，局地的烟雾污染可降低能见度，而广域污染会引起数十甚至数千千米的区域性霾。
对气候产生影响
气溶胶从两方面影响气候，气溶胶中的粒子可以通过散射和吸收辐射太阳能量，并将一部分的能量反射回空间，导致地面和大气层温度降低，从而直接影响地球温度。同时也可以通过在云形成过程中作用于水汽，使得云中液滴数量增多，从而增加云的反射率，由此来影响地球表面的温度。综上所述，气溶胶粒子的积聚会导致变冷效应，使全球温度降低，从而影响全球气候。
危害人体健康
漂浮在空气中的气溶胶粒子对人体健康的危害与其粒子的大小和化学组成有关。其中，降尘对人体危害较小，在呼吸作用中降尘会被有效地阻留在上呼吸道上。而飘尘中的一部分可沉积在肺泡上，沉积率随微粒直径减少而增加，大量飘尘在肺泡上沉积下来会引起慢性纤维化等病变。
应用领域
消防领域
气溶胶灭火剂是固体气溶胶发生剂燃烧的产物，主要由气体和分散固体组成。气溶胶的灭火机理包含了物理吸热和化学阻断的双重作用，当气溶胶微粒遇到高温时，会发生强烈的吸热分解反应，迅速降低火焰温度；气溶胶烟雾能吸收火焰的热辐射，从而阻止火焰与燃烧物之间的热回馈，使燃烧过程受到抑制；气溶胶微粒以及热分解产生的离子可以中和活性自由基，阻断燃烧过程中的能量传递作用，抑制了燃烧反应。气溶胶灭火系统适用于计算机房、通信机房、配电柜等多个场所和各种类型的火灾，包括电气火灾、可燃液体火灾和固体表面火灾等。
医药领域
在医药领域中气溶胶有多种用途，例如气雾剂和粉雾剂，都是重要的药物制剂专业类型。气雾剂的组成包括药物、附加剂、抛射剂和耐压容器，其中抛射剂（氯烷烃）具有很大的蒸汽压，可以维持容器内的高压。当打开容器的阀门时，药物溶液会被喷射出来，形成细小的雾滴，以便机体快速吸收。气雾剂可用于吸入和外用，如果喷射的是固体粉末，则被称为粉雾剂。
其他领域
气溶胶在工农业生产和国防上也有广泛的应用，它可以加快燃料的燃烧速度，充分利用燃料；喷雾干燥法用于合成洗洁精生产；用喷洒方法施农药可以降低农药消耗量，并提高药效，特别是在病虫害的预防和杀灭中，常采用喷雾方式进行；利用气溶胶进行人工降水；气溶胶粒子对激光传输能量的损耗非常严重，导致许多问题，研究气溶胶的吸收和散射特征可以得到激光衰减效应及其物理规律，在国防上可以用来制造信号弹和遮蔽烟幕。
表征量及监测
表征量
气溶胶可以通过多种表征量进行描述，其中一些常见的表征量有浓度、粒度分布等。气溶胶浓度是指单位空气体积中气溶胶的某一物理量值的大小，而气溶胶所包含的物理量因类型不同而差异很大，有粒子数浓度（1/m3）、质量浓度（Kg/m3）、活度浓度（Bq/m3）等。气溶胶的粒度分布是指气溶胶的某一物理量相对于粒子大小的分布关系，例如研究气溶胶的粒数-粒度分布、质量粒度分布以及活度-粒度分布等。
监测设备
气溶胶观测设备可以对气溶胶的各种特性进行采样分析和在线观测，包括质量浓度、吸收特性、散射特性、光学厚度以及可溶性化学成分等。常见的采样和观测仪器有大气气溶胶采样器、气溶胶质量浓度自动测量仪器、气溶胶粒子谱仪、云凝结核计数器、积分浊度仪、气溶胶吸收系数测量仪、气溶胶光学厚度测量仪和气溶胶激光雷达等。
其中，气溶胶质量浓度自动测量仪器是最常用的仪器之一，基于振荡微天平法、光学方法、贝塔射线法等原理开发而成，并结合粒径切割装置，可以实现大气中PM10，PM2.5等气溶胶质量浓度的测量。而气溶胶粒子谱仪用来测量气溶胶分粒径的数浓度，或气溶胶的粒径谱分布（粒度谱）。根据不同的气溶胶粒径大小，还可以选择不同的测量技术进行监测，如使用空气动力学技术或光学测量技术测量较大粒径气溶胶粒子，使用电迁移的技术则可以测量较小粒径的粒子，比如扫描电迁移气溶胶粒子谱仪。
消除
粒子寿命
气溶胶在大气中的运动和清除过程是由多种因素决定的。大气中气溶胶的粒子大小、化学组成以及所处高度和周围天气状况等都会影响它们的寿命。气溶胶粒子的寿命可以用其在大气中的输入通量与输出通量之比来定义，但这种定义只适用于输入通量与输出通量基本相等的情况。吸湿性粒子容易成为凝结核，被云雾降水清除的可能性较大，粒子寿命相对较短。干粒子寿命相对较长。超细粒子很快通过布朗碰撞转变成大粒子，粗粒子的寿命还与物质密度有关。粒子的寿命随粒子直径增大而迅速下降，直径在1μm左右的粒子寿命最长。气溶胶粒子的所处位置越高，寿命也就越长，在对流层下部，直径为0.1~10μm 的稳定气溶胶粒子的寿命约为1周，在对流层上部，其寿命约为1个月，在平流层中，这部分粒子的寿命可达数年。
去除方式
气溶胶在空气中的去除方式包括沉降、碰撞、雨洗和冲刷等四种。可以将这些方式归纳为两类：重力作用下的干沉降和与外部环境相互作用下的湿沉降。沉降是指空气中的固体颗粒由于重力的作用沉降到地面的运动；碰撞是指通过固体颗粒之间的表面碰撞和粘着导致的固体颗粒在空气中的移动；雨洗是指那些成为云凝结核的固体颗粒以降水的形式从空气中除去的过程；冲刷是指空气中的颗粒与雨滴和雪花撞击后被从空气中带走的过程。