对于气溶胶粒子的成核能力来说，粒径大小比化学组成更重要外文翻译资料

Size Matters More Than Chemistry for Cloud-Nucleating Ability of Aerosol Particles

U. Dusek, G. P. Frank, L. Hildebrandt, J. Curtius, J. Schneider , S. Walter, D. Chand, F. Drewnick, S. Hings , D. Jung, S. Borrmann , M. O. Andreae

Size-resolved cloud condensation nuclei (CCN) spectra measured for various aerosol types at a non-urban site in Germany showed that CCN concentrations are mainly determined by the aerosol number size distribution. Distinct variations of CCN activation with particle chemical composition were observed but played a secondary role. When the temporal variation of chemical effects on CCN activation is neglected, variation in the size distribution alone explains 84 to 96% of the variation in CCN concentrations. Understanding that particlesrsquo; ability to act as CCN is largely controlled by aerosol size rather than composition greatly facilitates the treatment of aerosol effects on cloud physics in regional and global models.

The response of cloud characteristics and precipitation processes to increasing anthropogenic aerosol concentrations is one of the largest uncertainties in the current understanding of climate change . A major challenge is to determine the ability of aerosols to act as cloud condensation nuclei (CCN) at water vapor supersaturations S (percentage of relative humidity minus 100%) that are relevant for atmospheric conditions. CCN activation of aerosols is therefore being studied intensively in laboratory and field experiments. To a first approximation, the ability of a particle to act as a CCN at a given S depends on the number of potential solute molecules it contains, which is a function of its size and composition. Thus, knowledge of both particle size distribution and size-resolved particle composition is necessary to predict ambient CCN concentrations. Although size distributions can be measured automatically in situ or even remotely, the determination of aerosol chemical composition is much more demanding. Moreover, the effects of organic compounds on CCN activation are not completely understood. If the effects of chemical composition on CCN activation could be parameterized for certain regions or aerosol types, this would considerably simplify estimation and modeling of CCN concentrations. It is therefore of great importance to assess the relative contributions of particle size distribution and chemical composition to CCN activity.

Toward this goal, we investigated the CCN activation of aerosols as a function of preselected particle sizes, to separate the effect of particle composition from that of size. This technique is commonly used in the laboratory but rarely in the ambient atmosphere. We used a differential mobility analyzer to select a narrow particle size range from the total aerosol population. These particles were passed to a CCN counter, which measured the number of activated CCN as a function of S, while a condensation particle counter in parallel determined the total particle concentration (CN) in the selected size fraction. This information was used to derive the CCN/CN ratio at each particle diameter and S. The sizeresolved CCN/CN ratio is further referred to as CCN efficiency. The S at which particles of equal size are activated is dependent on particl composition and/or shape. For monodisperse particles, the dependence of the CCN efficiency on S (the CCN spectrum) can therefore serve as an empirical measure of all chemical effects on CCN activation, including the effects of slightly soluble organics and of surface active compounds Additionally, possible external mixtures of particles with respect to their CCN properties can be identified.

Size-resolved CCN measurements were conducted during the Feldberg Aerosol Characterization Experiment (FACE-2004) field experiment, which took place at the Taunus Observatory (50.2-N, 8.4-E; Kleiner Feldberg, central Germany) from 20 July until 11 August 2004. During the measurement period,diverse air masses were encountered, including aged continental air masses, marine air masses that had moved in rapidly from the North Atlantic, and fresh pollution from the densely populated and industrialized Rhine-Main area, Egrave;20 km to the southeast and southwest of the field site.

Figure 1A shows a representative example of 6-hour averaged CCN efficiencies. At S between 0.25 and 1.5%, the crucial size range for CCN activation is 40 to 120 nm (electrical mobility diameter, d_p). Particles much larger than d_p=120 nm are generally activated at all investigated values of S regardless of their composition, whereas particleslt;40 nm require unrealistically high S for activation. Between these two extremes, a strong dependence of CCN efficiency on particle size is apparent. Particles with diameters of 40 nm typically require S of up to 1.5% for activation, whereas particles with diameters of 80 nm require S of Egrave;0.5%. The question to be addressed here is whether the effect of particle composition on CCN activation can rival its strong dependence on size.

We illustrate this problem by comparing measurements in air masses representing extremes of chemical compositions encountered during FACE-2004 (Table 1 and Fig. 1B) . Two continental cases are considered: CONT1 is characterized by air masses arriving from heavily industrialized regions in the Netherlands and Germany, and CONT2 by air masses from more rural areas in France and southern Belgium. MAR represents marine air masses from the Atlantic, with transport times across Germany of less than 1 day. Local trajectories and wind directions (northwest to east) indicate that in these three cases, the air reached our site after traveling over forested areas for a few hours. Case POLL gives an example of recent pollution during southeasterly wind conditions (from the Frankfurt/Rhine Main area). For back trajectories, see fig. S3.

The composition of the nonrefrac

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对于气溶胶粒子的成核能力来说，粒径大小比化学组成更重要

U. Dusek, G. P. Frank, L. Hildebrandt,J. Curtius, J. Schneider,S. Walter, D. Chand, F. Drewnick, S. Hings, D. Jung, S. Borrmann,M. O. Andreae

在德国非城市地区测量的不同气溶胶类型的尺寸分辨云凝结核(CCN)光谱表明，CCN浓度主要由气溶胶数的大小分布决定。观察到CCN活化与颗粒化学组成的明显变化，但起次要作用。当CCN激活的化学效应的时间变化被忽略时，仅大小分布的变化就解释了CCN浓度变化中的84％至96％。了解粒子作为CCN的能力主要受气溶胶粒径而非成分的控制，这极大地促进了区域和全球模式中云雾物理效应的气溶胶效应处理。

云特征和降水过程对增加人为气溶胶浓度的响应是当前对气候变化认识的最大不确定性之一。一个主要的挑战是确定气溶胶在与大气条件相关的水蒸气过饱和度S（相对湿度百分比减去100％）时充当云凝结核（CCN）的能力。因此，气溶胶的CCN活化正在实验室和现场实验中进行深入研究。对于第一个近似，粒子在给定S处作为CCN的能力取决于其包含的潜在溶质分子的数量，这是其大小和组成的函数。因此，需要了解颗粒大小分布和尺寸分辨颗粒成分以预测环境CCN浓度。虽然尺寸分布可以在原位或远程自动测量，但气溶胶化学成分的测定要求更高。此外，有机化合物对CCN活化的影响尚未完全了解（12）。如果化学成分对CCN活化的影响可以用于某些地区或气溶胶类型的参数化，这将大大简化CCN浓度的估计和建模。因此评估粒度分布和化学成分对CCN活性的相对贡献是非常重要的。

为了达到这个目标，我们研究了气溶胶的CCN活化作为预选粒径的函数，从而将颗粒组成的影响与大小的影响区分开来。这种技术通常在实验室中使用，但很少在环境大气中使用。我们使用差分迁移率分析仪从总气溶胶种群中选择一个较窄的粒径范围。这些颗粒被传送到CCN计数器，CCN计数器测量作为S的函数的活化的CCN的数量，而并行的凝聚颗粒计数器确定所选尺寸部分中的总颗粒浓度（CN）。该信息用于推导每个粒径和S处的CCN / CN比率。尺寸分辨的CCN / CN比率进一步称为CCN效率。大小相同的颗粒被激活的S取决于颗粒的组成和/或形状。对于单分散颗粒，CCN效率对S（CCN光谱）的依赖性可以因此用作CCN活化的所有化学作用的经验测量，包括微溶性有机物和表面活性化合物的影响。另外，可能的外部混合物可以识别关于它们的CCN性质的粒子。

尺寸分辨CCN测量是在2004年7月20日至8月11日在Taunus天文台（50.2-N，8.4-E; Kleiner Feldberg，德国中部）Feldberg气溶胶表征实验（FACE-2004）田间试验期间进行的。在测量期间，遇到了各种各样的气团，包括老年大陆性气团，从北大西洋迅速移动的海洋气团，以及来自场地东南方向和西南方向20公里处的人口稠密和工业化的莱茵-美因地区的新鲜污染。

图1A显示了6小时平均CCN效率的代表性例子。在S介于0.25和1.5％之间时，CCN激活的关键尺寸范围是40至120nm（电迁移率直径d_p）。电迁移率直径大于120nm的粒子通常在S的所有调查值处被激活而不管它们的组成如何，但粒子小于40 nm则需要不切实际的高S来激活。在这两个极端之间，CCN效率对颗粒大小的强烈依赖性是显而易见的。直径为40纳米的粒子通常需要S达1.5％用于激活，而直径为80纳米的粒子需要le;0.5％的S。这里需要解决的问题是颗粒组成对CCN激活的影响是否可以与其对尺寸的强烈依赖性相媲美。

我们通过比较在FACE-2004期间遇到的代表极端化学组成的气团中的测量来说明这个问题（表1和图1B）。考虑两个大陆案例：CONT1的特点是来自荷兰和德国重工业区域的空气质量，以及来自法国和比利时南部更多农村地区的空气质量的CONT2。MAR代表来自大西洋的海洋气团，在整个德国的运输时间不到1天。当地的轨迹和风向（从西北到东部）表明，在这三种情况下，空气在经过森林地区数小时后到达了我们的地点。Case POLL举例说明了在东南风条件下（来自法兰克福/莱茵主要地区）的近期污染。对于后方轨迹，请参见图S3。

通过气溶胶质谱仪（AMS）测量非阻燃性气溶胶组分的组成，其尺寸范围为40-1000nm。 在d_plt;130nm的CCN相关尺寸范围内，组成以有机物质为主，其次为铵，硫酸盐和硝酸盐。在CONT1期间，这个尺寸范围内的无机离子的质量分数高达42％，而POLL的情况包含非常少的无机材料，对于d_plt;130nm的颗粒只有18％的质量。在运动期间观察到的气溶胶化学成分跨越欧洲典型的近城区至背景场所的范围。在dplt;150nm的尺寸范围内，可溶离子的质量很少超过50％。另一方面，小于15％的可溶性离子组分大多在靠近来源和城市地区发现，并在大气老化和混合过程中迅速增加。通常，约50％的有机部分也是水溶性的并且有助于CCN活性。图1B显示，尽管这四种气团类型中气溶胶的来源和组成各不相同，但固定尺寸等级（这里为60纳米）的CCN谱非常相似。在这个尺寸等级中，50％的颗粒被激活的S仅在0.6％的平均值附近变化0.1％。

为了推导给定S处的CCN的尺寸分布（例如，在0.4和1％处，图2），尺寸分辨的CCN谱（图1A）与气溶胶数量尺寸分布组合。首先，将CCN效率线性插值到S=0.4和1％（虚线，图1A）。然后使用CCN效率对粒度的依赖性来推导CCN尺寸分布（图2）。对于S的每个值，CCN浓度朝着更大的直径逐渐增加（图2），而不是像预期那样从内部混合的气雾剂显示锐截止活化直径。这反映了环境气溶胶中的一定程度的外部混合，以及颗粒不完全是单分散的事实。

我们将每个S的有效截止直径（在图2中表示为有色垂直线）定义为该CCN效率达到0.5时的直径。正如预期的那样，这些有效的截止粒径与dpG130nm的粒子的无机离子部分（参见表1的S=0.4％）呈负相关，因为有机化合物通常比无机盐的CCN活性低。然而，无机离子含量增加超过2倍[反映新鲜污染（POLL）到老化气溶胶（CONT1）的整个组成范围]与截止直径降低的相关性小于20nm。

通过整合图2中的CCN尺寸分布获得的特定S上的总CCN浓度（CCN_tot）取决于总颗粒浓度和在给定S处活化的颗粒的比例，尺寸分布的形状和颗粒组成。例如，在CONT1中，高CCN效率与大模态直径相结合导致活动期间观察到的CCN_tot最高（在S=0.4％时约4500cm^-3）。 这大大高于CONT2（〜3000cm^-3），其中模式直径和CCN效率都较低，而总颗粒浓度可比[6300 cm^-3（CONT1）与5800cm^-3（CONT2）]相当。

我们进行了灵敏度研究，以进一步了解总数浓度，尺寸分布的形状和尺寸分辨CCN效率（即粒子化学成分）在确定CCN_tot中的作用。作为基本情况，我们使用测量的尺寸分布和CCN效率，计算整个测量周期的6小时平均CCN_tot时间序列。然后，我们计算了两个修正的CCN时间序列：（i）使用固定的CCN效率（活动平均值）但大小可变的分布，以及（ii）使用固定大小分布（活动平均值）但反映可变化学成分的可变CCN效率。这些修正时间序列与基本情况的相关性表明，尺寸分布在确定CCN_tot方面具有主导作用（图3，A和B，对于S=0.4％;图S4对于S=0.25和1.0％）。在组成恒定和CCN效率的情况下（情况一），尺寸分布的变化仅从CCN_tot时间变化的84％（在S=0.25％）到96％（在S=1％）解释。另一方面，当假定恒定的平均大小分布（情况ii）时，详细的CCN效率知识对于预测CCN_tot（R² ~0.3）没有多大帮助。

为了消除可变总颗粒浓度的影响，我们研究了可以充当CCN的颗粒部分（以下称为活化部分）如何取决于尺寸分布和CCN效率。为此，我们对活化部分进行了类似的灵敏度研究，计算公式为CCN_tot / CN10，其中CN10表示910nm颗粒的总数浓度（图3，对于S=0.4％，C和D;图S5对S=0.25和S=1％）。主要结论仍然类似：尺寸分布形状的变化解释了在S为0.25％至1％范围内活化部分的80％变化，而组成变化（CCN效率）仅解释20％（S=1％）至63％（S=0.25％）。图3D清楚地显示了当尺寸分布保持不变时化学组成变化所具有的弱作用。在高S时活化部分对CCN效率的低灵敏度是由于活化发生在较小粒度下的事实（图2），其中尺寸分布在我们的测量中特别可变。只有在0.25％的低S值时，CCN效率才会与CCN_tot / CN10显示出显着的相关性。这里，截止直径接近尺寸模式，这使得活化部分对成分的小变化相对敏感。然而，假设恒定的CCN效率仍然能够充分预测活化部分（图S5，A和B）。

这些敏感性研究证实，更准确地了解气溶胶数量的大小分布以更好地估计CCN_tot比了解详细的颗粒化学反应或精确尺寸分辨的CCN效率更重要。这一结果得到了模型研究的支持，这表明即使考虑到有机物种的现实混合物的影响，颗粒组成对云滴数量的影响也是中等的。 我们的研究结果表明，为了提高我们对大气CCN的理解，对特定气溶胶成分的CCN活动的调查必须通过仔细研究气溶胶粒径分布及其对大气过程的依赖来补充。

尽管我们的研究结果来自欧洲的一个大陆站点，但我们预计粒径在CCN激活中的主要作用将普遍适用。根本原因在于临界过饱和度（S_c）取决于颗粒中可溶分子总数的一次近似值。 这个数字只取决于可溶性质量分数的线性关系，但取决于d_p的第三个功率，使得粒子大小成为控制S_c的主要参数。只有在矿物粉尘等不溶性颗粒的情况下，才能加入微量的可溶性物质，大大降低S_c，然后成分占优势。具体截止直径可以随气溶胶类型而变化（例如，海洋气溶胶的截止直径较小）。然而，中年生物质烟雾和亚马逊背景气溶胶衍生的截止径几乎与我们的POLL案相同，这使得我们的结果更普遍适用。

颗粒组成的次要作用对于估算来自观测的CCN浓度以及它们在云和气候模拟中的参数化具有很大优势。 利用代表关键区域和气溶胶类型的典型尺寸分辨CCN效率（或截流直径）的知识，CCN浓度可以从观测或模拟的尺寸分布进行估算。 建立这种大小解析的CCN效率数据库应该成为不同地点的实地研究的重点。为了在全球或地方范围内对CCN进行建模，与预测详细的化学成分相比，应该花费更多精力预测粒度分布。虽然颗粒化学对模拟气溶胶生长和转化过程很重要，但是颗粒化学组成对CCN活化的复杂影响可以通过取决于位置和/或气溶胶类型的截止直径来参数化，而不引入较大的误差。假设Btypical尺寸分布（例如对于广义化Bcontinental [气溶胶]将导致比假设“典型”成分更大的误差）我们的研究结果也为通过遥感估算更大时间和空间尺度上的CCN丰度提供了基础，因为气溶胶粒径分布本质上更易于通过因为电流传感器是有限的，因为它们检测CCN相关尺寸范围为50到150nm的粒子的能力，这就需要开发适当的传感器。

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