基于光声光谱气溶胶吸收测量的标定方法研究

大气气溶胶吸收太阳辐射,直接影响地气系统辐射平衡,降低能见度,改变局地气候效应。光声光谱技术具有灵敏度高、原位测量、结构简单等优势,是研究气溶胶吸收特性最为直接、有效的方法。光声光谱近红外气溶胶吸收系数测量系统的精度与标定方法密切相关,为了探究不同标定方案的差异,选择NO_(2)气体(532 nm)和单分散苯胺黑气溶胶(532、 1 064 nm)分别开展气溶胶吸收系数标定实验。其中,单分散苯胺黑气溶胶的标定方法主要基于Mie理论,结合苯胺黑气溶胶粒子数浓度、苯胺黑气溶胶粒子的复折射率、苯胺黑粒子粒径分别计算532和1 064 nm单分散苯胺黑气溶胶吸收系数。实验结果表明:NO_(2)气体获取的标定系数介于苯胺黑气溶胶在532和1 064 nm波长处获取的标定系数之间,与532 nm波长处粒径225 nm的苯胺黑单分散气溶胶、 1 064 nm波长处粒径125 nm的单分散苯胺黑气溶胶标定系数相近,在其他粒径处存在一定差异。尽管NO_(2)气体与苯胺黑气溶胶在特定波长处具有相似的连续吸收特征,对于同一标定系统,标定气体和气溶胶性质、状态不同导致标定过程仍然存在光声效应之外的光与物质的相互作用、标定介质损耗、测量环境等不确定因素,这些都会导致这两种标定介质的标定结果差异;苯胺黑气溶胶采用不同波长光源得到的标定系数明显不同,同一粒径的单分散苯胺黑气溶胶在532 nm波长处获取的标定系数约为1 064 nm波长处标定系数的1.5~2倍。导致该结果的可能原因有两个,一是未准确获取1 064 nm波长处苯胺黑的复折射率,二是标定过程中532 nm光束、 1 064 nm光束与谐振腔的匹配模式不一致导致;标定系数与单分散气溶胶的粒径存在反比关系,随着苯胺黑气溶胶粒径每增大50 nm, 532 nm波长光源的标定系数减小19%, 1 064 nm波长光源的标定系数减小12%。标定系数与粒径的反比关系可能由不同粒径的苯胺黑气溶胶粒子经过管道和光声池的损耗不同导致。由此可见,气体标定方法与气溶胶标定方法各有其优势与不足,但两种标定方式都可以获取相应的标定系数,在实际标定方法的选择上,需要综合考虑多种因素,选择合适的标定方法。