雾霾中有机微生物凝聚粒子群对光传播的影响

赵红　赵欣颖

摘 要：雾霾天气会给人们的生产生活带来诸多负面影响。本文通过建模仿真，研究了雾霾中的有机微生物凝聚粒子对光传播的影响。研究结果表明：雾霾中生物颗粒的消光作用不容忽视。当雾霾中有機凝聚粒子所含原始微粒的数目、半径和孔隙率增加，入射光越难透过，大气能见度下降。在重霾天气（nt>600/cm3），4m开外处，激光仿真条件下，透过率小于10%。仿真给出的数据对环境治理和大气监测等，具有一定的参考价值。

关键词：雾霾 有机微生物凝聚粒子 透过率

中图分类号：X513 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0112-04

近几年，大气污染情况越来越严重，连续的雾霾天气给人们的生产生活带来了诸多负面影响。雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。PM2.5的烟尘粒子对引起肺癌死亡及患上其他严重呼吸道相当危险，因为达到这一尺寸的颗粒物质可以侵入人体的防御系统，侵害深部肺部组织，因此多项调查都将2.5μm作为一个临界尺寸。西安交大微纳中心在对雾霾的研究中给出了雾霾成分的电镜图，如图1所示。从图中可以看出，雾霾的成分复杂，颗粒结构多变。据报道，雾霾中在包含了大量的无机化合物，例如硫酸盐颗粒、铁氧化物颗粒的同时，也包含大量的有机微生物粒子，例如花粉颗粒、细菌病毒等。在雾霾天气，人们最直观的感受是能见度差，出行不便。这是由于雾霾中细小的颗粒由于静电、碰撞粘附而形成凝聚粒子，悬浮在空中，阻碍了光线的传播。本文通过建模仿真，重点研究了雾霾中的有机微生物凝聚粒子对光传播的影响。研究结果所给出的数据对环境治理和大气监测等，具有一定的参考价值。

1 基本模型

图2是在雾霾中常见的某曲霉真菌孢子微生物的扫描电镜照片，放大5000倍。由于材料在释放后会发生碰撞、粘附等作用，因此用显微镜观察其原始状态。在电子显微镜下观察到该孢子是黑色球体，粒径分布集中，平均半径1.5μm。表面有明显的突起物，有粒子团聚形成含有孔隙的结构。图中材料的光学特征参数复折射率m用Krames-Kronig（K-K）关系[1]来计算。微生物材料在空中漂浮凝聚，采用团簇-团簇凝聚（Cluster-Cluster Aggregation，CCA）模型[2]模拟，模拟结果如图3所示。

从图3可以看出，该曲霉孢子凝聚粒子的空间结构局部与整体结构相似，具有重复性、自相关性。结构并不质密，有孔隙和分支。设凝聚粒子包含原始基本粒子的个数是M；凝聚粒子外接球回旋半径为Rg，两者的关系为[8]：

孢子凝聚粒子的空间结构确定后，采用离散偶极子近似（Discrete-Dipole Approximation，DDA）计算该粒子对光的单次散射参量。Bruce T. Draine指出，DDA 算法的使用条件是丨m-1丨≤3，m是目标的复折射率。课题组前期多次研究表明，生物细胞粒子的折射率m一般在1～2之间，符合DDA使用条件。

光在雾霾中有机凝聚粒子群中的传输是多次散射过程，不能简单的用朗伯比尔定律计算。我们采用随机过程思想，结合蒙特卡罗方法（Monte Carlo Method）仿真。计算机重复100000次以下过程：计算机产生随机数模拟单个光子在介质中的随机行走和散射，光子初始位置在入射面和光轴相交点（0，0，0），以一定角度入射烟幕，根据烟幕中粒子浓度和粒子消光截面，确定光子行进的路程和碰撞点位置；光子在烟幕中运动到不同位置吸收系数不同，被分配不同权重。设置一个阈值，如光子权重大于阈值，则光子继续在烟幕中运动，被分配新的散射方向，根据光子的运动方向和权重，计算光子在该点直接透射出去的概率。以上过程重复进行，直到光子权重小于阈值，或离开烟幕。跟踪足够数量的光子，就可得到较为稳定的入射光透过某曲霉孢子群的统计结果。

2 数值计算和结果分析

2.1 凝聚粒子所含的原始微粒数目

如图4所示，随着原始粒子数M的增加，消光截面Cext整体呈现上升趋势。原因是随着原始颗粒数量的增加，红外吸收和散射也增加，这导致某曲霉凝聚孢子红外衰减增强。另外，由于凝聚物孔隙率的波动，如图5所示，消光截面曲线也是波动的。虽然具有更多的分支，但具有高孔隙度的团块的空间结构是松散的，这阻碍了某曲霉孢子凝聚粒子的红外衰减性能。

2.2 凝聚粒子的孔隙率

从方程式（2）和图6可以看出，随着旋转Rg半径的增大，孔隙率P也增大。这是因为旋转半径越大，空间分支越多。这意味着一定数量的凝聚孢子空间结构松散，孔隙率也在增加。

如图7所示，当M相对较小时，颗粒团聚过程具有很强的随机性，团聚颗粒形成的空间结构差异较大，孔隙度波动更严重。随着原始颗粒数量的增加，出现的枝数越来越多，空间结构中的孔洞也越来越大，孔隙度值也越来越大。随着原始粒子数量的不断增加，由于克服了路径上其他粒子的阻力，粒子进入结构的概率变得很小。大部分的外颗粒聚集在孔口周围，形成密封效果，孔隙趋于稳定。

图8给出在孢子凝聚粒子所含原始微粒数目M和半径r不变，凝聚粒子群的测量区域厚度为4m，凝聚粒子数密度200/cm3的情况下，透过率T与单个凝聚粒子孔隙率P的关系。由图8可见，粒子群的透过率T随孔隙率P的增加而增加。

2.3 原始微粒半径、测量区域凝聚粒子的浓度与厚度

为了说明原始微粒粒径r、测量区域凝聚粒子群厚度d对微生物凝聚粒子群透过率T的影响，本文计算了由20个原始微粒组成，r从0.25～2μm均匀变化的某曲霉孢子凝聚粒子群（凝聚粒子数密度200/cm3）在10.6μm激光照射下的透过率。

由图9可以看出，透过率T随原始微粒半径r的增加先是迅速下降，后缓慢减小。同时，在r一定时，透过率随测量区域粒子群厚度d的增加而减小。当凝聚粒子数密度一定，d=2m曲线下降的斜率约为-1，d<2m时，透过率T与原始微粒半径r呈弱负相关；随着d增加，d>2m后，T与r呈强负相关，r在很小的变化范围内就可以使凝聚粒子群的透过率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数密度nt对激光透过率T的影响。此情境對应于雾霾的严重程度。基于电镜图观察结果（见图1），每个孢子平均半径为1.5μm，取每个孢子凝聚粒子平均包含20个原始微粒为M参数，以CCA构建凝聚粒子的空间结构，测量区域厚度4m。从图10可以看出，随着nt的增加，T迅速减小，在nt>600/cm3后（极度重霾），T<10%。

3 结语

数值仿真结果表明：雾霾中的生物颗粒的消光作用不容忽视。当雾霾中有机凝聚粒子所含原始微粒的数目、半径和孔隙率增加，入射光越难透过，大气能见度下降。在重霾天气（nt>600/cm3），4m开外处，激光仿真条件下，透过率小于10%。

通过上述模型和结论，可用于监测雾霾形成规模和估算雾霾对能见度的影响。对雾霾中的有机成分进行采样制片后，在电镜下观察其结构。结合上述构建的数学仿真模型，通过分析有机凝聚粒子群的物理结构，可估算出该雾霾的程度等级以及能见度。

参考文献

[1] 赵欣颖，胡以华，顾有林，等.微生物凝聚粒子群的激光透射率研究[J].光学学报，2015，5（6）：0616001.

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