1 上海理工大学能源与动力工程学院, 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 国家环境保护城市大气复合污染成因与防治实验室, 上海市环境科学研究院, 上海 200233
3 暨南大学环境与气候研究院, 广东 广州 511443
4 华南理工大学环境与能源学院, 广东 广州 510006
基于激光诱导荧光原理搭建了用于机动车尾气测量的羟基 (OH) 自由基总反应性直接测量系统 (LP-LIF-kOH), 并开展了典型柴油车尾气的转鼓测试, 获得了不同排放水平下重型柴油车尾气 OH 自由基总反应性的特征。该系统使用中心波长为 266 nm的紫外脉冲激光在流动管中光解臭氧产生过量 OH 自由基, 使其与采样进入流动管中的活性气体反应发生浓度衰减; 利用中心波长为 308 nm 的脉冲激光作为激发光, OH 自由基吸收激发激光能量后释放荧光光子信号, 利用激光诱导荧光技术记录 OH 自由基衰减曲线对衰减过程进行测量; 而通过对衰减曲线进行指数拟合,即可获得采样气的 OH 自由基总反应性 (kOH)。在柴油车尾气中的活性有机物闭合测量实验中, 对国三与国五的柴油车尾气进行 kOH 的测量, 发现柴油车尾气 kOH 的值随着国家排放标准的升高而降低, 不同车辆的 kOH 差别较大, 同一车辆冷启动测得的 kOH 值大于热启动测得的 kOH 值。kOH 的主要贡献来自氮氧化物 (55%)、一氧化碳 (2%) 和一次排放的挥发性有机物 (34%)。最后初步建立了一种利用 kOH 估算柴油车尾气碳氢化合物 (HC) 排放因子的方法。
激光诱导荧光 OH自由基总反应性 柴油车 排放因子 laser-induced fluorescence OH reactivity diesel vehicles emission factor 大气与环境光学学报
2020, 15(4): 269
1 脉冲功率激光国家重点实验室 国防科技大学， 合肥 230037
2 91428部队，浙江 宁波 315456
对火焰温度的测量是燃烧过程控制中最重要的活动之一。以分子光谱理论为基础，计算得到了OH自由基[A2∑+X2∏]电子带系在任意转动温度和振动温度下以及仪器展宽为0.07 nm条件下的谱线强度分布；采用光栅光谱仪，测量了在酒精灯燃烧火焰一定高度处的OH自由基的发射光谱。通过理论光谱和实验数据的对比分析，得到了酒精灯火焰的燃烧温度为略高于2 600 K，最后对实验误差进行了分析。
火焰温度 发射光谱 OH自由基 flame temperature spectral emission OH radical
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂, 决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化, 甚至气候变化。 为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演, 需要构造正演模型, 模拟得到仪器接收到的大气中的Ａ２Σ＋－Ｘ２Π(０, ０) 309 nm波段的太阳共振荧光发射信号。 本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g, 结合辐射传输模型SCIATRAN模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量, 模拟出OH荧光发射光谱, 叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数, 最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。 模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation), SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。 还分析了影响模拟结果的因素, 在之后的正演过程中加以修正, 使正演模型更接近实际辐射传输过程。
OH自由基 正演模型 荧光发射率因子 敏感性分析 OH radical Forward model Rotational emission rate factors SCIATRAN SCIATRAN Sensitivity analysis 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3278
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对中高层大气OH自由基的星载探测应用,给出一种基于空间外差光谱技术的临边探测方案。借助卫星平台的运动,呈正交布置的双通道光谱仪可以分时获取同一区域的一系列视线观测辐亮度,最终反演OH自由基数密度的三维分布。每个通道均包含柱面望远、准直镜头、一体化空间干涉组件和成像镜头,可以同时探测不同高度层的OH自由基辐亮度,具有光通量大、结构稳定、小型化等特点。以紫外波段(308.2~309.8 nm)和光谱分辨率优于0.01 nm的要求进行中高层大气OH自由基临边探测为例,给出了光学系统设计的过程和结果,并利用太阳跟踪器进行了地基太阳光谱观测实验。结果表明:光学系统设计可满足探测指标的要求,实测太阳光谱与理论光谱特征一致性较好,为星载中高层大气遥感探测技术提供了参考。
光谱学 空间外差光谱仪 超分辨紫外光谱 OH自由基 中高层大气
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
利用基于空间外差光谱技术的中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪,配合太阳跟踪器,对晴空太阳直射光谱进行测量,获得了308 nm波段高分辨率的太阳直射光谱。对干涉数据进行去暗电流、去基线、相位校正和傅里叶变换等处理,得到最终的干涉光谱图。利用辐射传输模型模拟理论上到达地面的光谱,将实测结果与理论模拟结果进行比对发现,光谱匹配一致,这为在轨探测高分辨率太阳光谱与目标散射信号提供了实验数据。
大气光学 空间外差光谱技术 太阳光谱 高分辨率 OH自由基
华东理工大学煤气化及能源化工教育部重点实验室, 上海 200237
OH*自由基是火焰中主要的激发态自由基之一, 它所产生的化学发光可用于描述火焰的结构、 拉伸率、 氧燃当量比和热释放速率等特征信息, 因此被广泛应用于火焰燃烧状态的在线诊断。 以甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰作为研究对象, 采用GRI-Mech 3.0机理结合OH*自由基生成和淬灭反应进行数值计算, 对OH*自由基的二维分布特性进行研究, 分析不同区域内OH*自由基的生成路径, 并探讨不同氧燃当量比例和不同喷嘴出口尺寸对OH*自由基强度和分布特性的影响。 模拟结果与实验研究基本吻合, 表明计算模型能够准确描述火焰中OH*自由基的二维分布。 结果表明: 在甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰中, OH*自由基存在两种不同形态的分布区域, 分别由反应CH+O2=OH*+CO和H+O+M=OH*+M生成; 随着氧燃当量比提高, OH*自由基的分布区域逐渐向火焰下游扩张, 根据其分布形态的变化可以对火焰燃烧状况进行判断; 如果OH*自由基仅分布于火焰的上游区域且呈断开形态, 则说明火焰处于贫氧燃烧状态。 如果OH*分布呈环状形态, 则说明火焰处于富氧燃烧状态; 相同氧气流量条件下, 缩小喷嘴出口的环隙尺寸有助于加强燃料和氧气的化学反应程度, 从而使火焰中OH*自由基的摩尔分数显著提高, 增强OH*化学发光的辐射强度, 提高火焰光谱诊断的准确性。
甲烷 扩散火焰 OH*自由基 数值模拟 Methane Diffusion flame OH* radicals Numerical simulation
清华大学电机工程与应用电子技术系, 北京 100084
大连海事大学环境科学与工程学院, 辽宁 大连 116026
液相放电能够产生各种活性物质, 其中羟基自由基(OH), 氢自由基(H)被认为是引发液相化学反应的主要活性物种, 但由于其活性强寿命短的特点, 测量比较困难, 由于缺少标准样品, 定量测量更为困难。 用光学方法测量自由基是一种直接测量方法, 其特点是瞬时在线测量, 能立即获得数据, 进行时间和空间分布测量。 为了研究微波水中放电产生的自由基特性, 利用发射光谱诊断技术对微波水中放电产生的活性物质进行了在线检测, 考察了微波功率、 反应器内部压强对OH自由基相对光谱强度的影响, 并观测了等离子体中OH自由基强度的空间分布; 同时, 估算了微波液相等离子体中的电子激发温度。 实验结果表明, 微波水中放电可以产生大量的OH, H, O自由基, 其中OH自由基的相对光谱强度最强, 并随微波功率的增加呈现明显上升的趋势, 随反应器内部压强的增大而迅速减弱; 以OH为主的自由基主要产生于电极尖端附近。 微波液相等离子体的电子激发温度约为0.33×104 K。
微波液相等离子体 发射光谱 OH自由基 Microwave discharge in liquid Emission spectrum OH radicals 光谱学与光谱分析
2017, 37(12): 3855
1 安徽师范大学国土资源与旅游学院, 安徽 芜湖 241000
2 资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心, 安徽 芜湖 241003
3 安徽师范大学自然灾害过程与防控研究重点实验室, 安徽 芜湖 241000
4 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
大气OH自由基是大气中各组分光化学反应的重要媒介, 对大气其他成分的形成和转化起重要作用。 利用MLS传感器2005年—2009年的OH全球浓度数据产品构建OH浓度时空数据库和Lifbase光谱分析软件构建OH发射光谱数据库, 改进了SCIATRAN辐射传输模型, 计算了基于空间外差光谱(SHS)技术的探测仪的临边探测仿真图像, 并提取了大气OH自由基荧光发射在观测能量中的贡献。 基于辐射传输理论, 通过定量计算分析了仿真过程中各个参量不确定度对仿真结果和OH荧光能量的定量影响。 该研究结果不仅能为我国构建中高层OH自由基探测仪提供科学理论支撑, 还能为探测仪器相关参数设计提供依据。
大气光线 辐射传输 OH自由基 临边观测仿真 Atmospheric light Radiation transmission OH radicals Simulations of limb observation 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2685
