有害气体的大气扩散

摘要

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大气传输特性大气散射

散射是指磁辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时，改变原来传播方向的现象。大气散射是电磁辐射能受到大气中微粒(悬浮粒子及大的分子如大气分子或气溶胶等)的影响，而改变传播方向的现象。其散射强度依赖于微粒大小、微粒含量、辐射波长和能量传播穿过大气的厚度。

A．选择性散射——散射强度与波长有关

　　a)瑞利散射（Rayleigh）

当引起散射的大气粒子直径远小于入射电磁波波长（d<<λ）时，出现瑞利散射。大气中的气体分子氧气、氮气等对可见光的散射属此类。它的散射强度与波长的4次方成反比。波长越短、散射越强，且前向散射与后向散射强度相同。晴朗的天空，可见光中的蓝光受散射影响最大，所以天空呈蓝色。清晨太阳光通过较厚的大气层，直射光中红光成分大于蓝光成分，因而太阳呈现红色。大气中的瑞利散射对可见光影响较大，而对红外的影响很小，对微波基本没有多大影响。

瑞利散射图解

大气传输特性米氏散射

当引起散射的大气粒子的直径近于等于入射波长（d）时，出现米氏散射。大气中的悬浮微粒如水滴，尘埃、烟、花粉、微生物、海上盐粒、火山灰等气溶胶的散射属此类。其前向散射大于后向散射。米氏散射多在大气低层 0—5km，其强度受气候影响较大。

B．无选择性散射——散射强度与波长无关

当引起散射的大气粒子的直径远大于入射波长（d>>λ）时，出现无选择性散射。其散射强度与波长无关。大气中水滴、尘埃的散射属此类。它们一股直径5—100μm，并大约同等的散射所有可见光、近红外波段。正因为此类散射对所有可见光区段兰、绿、红光的散射是等量的，因而，我们观察云、雾呈白色、灰白色。

散射对遥感数据传输的影响极大。大气散射降低了太阳光直射的强度，改变了太阳辐射的方向，削弱了到达地面或地面向外的辐射，产生了天空散射光，增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。它是造成遥感图像辐射畸变、图像模糊的主要原因。散射使地面阴影呈现暗色而不是黑色，使人们有可能在阴影处得到物体的部分信息。此外，散射使暗色物体表现得比它自身的要亮，使亮物体表现得比它自身的要暗。因此，它降低了遥感影像的反差（对比度），降低了图像的质量（清晰度）以及图像上空间信息的详度，因此，摄影像机等遥感仪器多利用特制的滤光片，阻止蓝紫光透过以消除或减少图像模糊，提高影像的灵敏度和清晰度。

在气体扩散层中主要进行着反应气体的传递、反应产物的转移以及电子的传输。考察扩散层的性质即主要考察这三方面的传递能力。一般除了通过从极化曲线上直接分析扩散层性能外，人们还建立了一些物理手段来表征扩散层的性质，主要包括扩散层的流体传输特性、导电性、孔结构以及亲/疏水特性等 。

气体扩散层流体传输特性

气体扩散层中的流体主要是反应气体、水蒸汽和液态水。气体在扩散层中的主要传递方式为扩散，还包括部分的对流传质。气体扩散层中的有效扩散系数D_eff是对扩散系数D的修正，与曲率τ成反比，与孔隙率ε成正比，一般近似地写为

气体扩散层孔结构

孔隙率、孔分布和孔体积是衡量扩散层孔结构的重要参数。常用的孔结构测量仪器有压汞仪和毛细管流动孔隙仪。前者以汞作润湿液，应用一定的压力将汞压入待测样品的孔中。后者采用低表面能的硅树脂（silwick）为介质，在毛细力的作用下润湿待测样品后再加压迫使其流出孔道。但是两种方法都不能反映电池运行时扩散层内的真实物质传输通道，因为气体扩散层材料里的非连通孔是对物质传输没有意义的，而在采用压汞法或毛细管流动孔隙仪测量时断孔、死孔都是包含在内的 。

气体扩散层亲/疏水性质

扩散层的液体润湿性即其亲/疏水性质也是影响燃料电池性能的重要因素之一。适宜的亲/疏水孔比例有利于改善传质、提高极限电流密度。表征扩散层的亲/疏水性质有两种方法：一是浸渍法，直接表征其亲水孔和疏水孔孔体积；二是测量接触角法，间接表征亲/疏水性质 。

气体扩散层导电性

扩散层的导电性，根据测量方向的不同，一般有两种测量方式。对through-plane方向即扩散层的厚度方向，一般采用加压测量接触电阻的方法，而对于in-plane方向的电阻多采用四点探针法 。

在土壤气体的组成中，CO₂的浓度高于大气，而O₂的浓度低于大气，在浓度梯度的作用下，驱使CO₂气体分子不断从土壤中向大气扩散，同时使O₂分子不断从大气向土壤气体扩散。

O₂和CO₂在土壤中的扩散过程，部分发生在气相，部分发生在液相。通过充气孔防扩散保持着大气和土壤间的气体交流作用，为气相扩散；而通过不同厚度水膜的扩散、则为液相扩散，这两种扩散过程都可以用费克(Fick)定律表示。根据费克定律，气体的扩散速率(dQ/dt)和该气体的浓度梯度(dc/dr)以下式表示:

式中，q_d表示扩散通量(单位时间通过单位面积扩散的质量); D表示在该介质中的扩散系数(其量纲为面积/时间)；c表示某种气体(O₂或CO₂)的浓度(单位容积扩散物质的质量)；x表示扩散的距离；dc/dx表示浓度梯度，对于气体来说，其浓度梯度常用分压梯度表示，则：

式中，B表示偏压与浓度的比。