01 / 导读
导读
引用
Seinfeld, J. H., & Pandis, S. N. (2016). Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (3rd ed.). Wiley.
章节概要
第三版约1,150页，共七个部分、26章，另有单位与常数、大气反应速率常数、缩略语三个附录。多数章节末尾附有习题。出版社介绍说，每个主题都从基础科学出发，一直讲到在实际问题中的应用；本版新增了全球气候一章、大气有机气溶胶一章，以及正矩阵因子分解（positive matrix factorization）的讲解。
第一部分，第1–2章：大气；大气痕量成分
第1章交代背景：地球大气的历史、气候、大气分层、气压与温度的垂直分布、物质含量的表示方法、大气颗粒物，以及大气过程的空间与时间尺度。第2章先介绍大气寿命，再依次概述含硫、含氮、含碳、含卤素的化合物、臭氧、颗粒物、汞和排放清单。章末两个附录分别概述美国空气污染立法和有害空气污染物。
第二部分，第3–7章：化学动力学；大气辐射与光化学；平流层化学；对流层化学；大气水相化学
第3章提供后文所需的动力学：反应级数、碰撞理论与过渡态理论、准稳态近似、激发态物种、三分子反应、化学族和气体—表面反应。第4章讲辐射、比尔—朗伯定律、光化通量、光解速率，以及O3和NO2的光解。第5章讨论平流层化学，从查普曼机理出发，经NOx、HOx和卤素循环，到臭氧洞、极地平流层云、非均相化学和臭氧消耗潜能。第6章是本部分最长的一章，涉及对流层羟基自由基、NO2–NO–O3循环、CO和甲烷的氧化、VOC与NOx在臭氧生成中的作用、烷烃、烯烃、芳烃以及异戊二烯和蒎烯等生物源烃类的化学，还有含硫、含氮、卤素和汞物种。第7章转向大气中的液态水：亨利定律、水相平衡，以及S(IV)到S(VI)的氧化途径。
第三部分，第8–15章：气溶胶
第8、9章描述气溶胶的粒径分布（包括对数正态分布）、不同环境中的实测气溶胶、化学组成，以及单个颗粒的动力学（平均自由程、斯托克斯定律、沉降、布朗运动）。第10章把热力学用于气溶胶，涉及含水量、潮解、开尔文效应和无机气溶胶体系。第11章讲成核，从经典均相成核理论到离子诱导成核和大气新粒子生成。第12章讨论传质及其对水相化学的限制。第13章讲凝结、凝并以及气溶胶群体的一般动力学方程。第14章为本版新增，讲二次有机气溶胶的生成、挥发性、气—粒分配、模型以及有机气溶胶的全球收支。第15章讲颗粒对光的散射与吸收以及能见度。
第四部分，第16–18章：物理与动力气象学；云物理；大气扩散
第16章提供后续章节所需的气象学知识：低层大气温度、稳定度、湿空气、近地层守恒方程和风随高度的变化。第17章讲液滴平衡、云和雾的形成、液滴增长、云凝结核以及气溶胶的云加工。第18章发展湍流扩散的欧拉与拉格朗日描述、统计理论、高斯烟羽解、扩散参数和烟羽抬升。
第五部分，第19–20章：干沉降；湿沉降
第19章建立干沉降的阻力模型（空气动力学阻力、准层流阻力和表面阻力）并讨论测量方法。第20章讲湿清除：云下气体清除、降水对颗粒物的清除、云内清除和酸沉降。
第六部分，第21–24章：大气环流；全球循环：硫与碳；全球气候；气溶胶与气候
第21章介绍哈得来环流圈、费雷尔环流圈和极地环流圈、科里奥利力、地转风和水文循环。第22章讨论大气硫循环和全球碳循环。第23章为本版新增，涵盖地球能量平衡、辐射强迫、温室效应、气候强迫因子、气候敏感性和反馈。第24章分析气溶胶层如何散射和吸收辐射，以及它们对气候的直接与间接影响。
第七部分，第25–26章：大气化学传输模型；统计模型
第25章讲箱模型、三维化学传输模型、一维拉格朗日模型、数值求解方法和模型评估。第26章讲受体模型（化学质量平衡、因子分析、利用风信息的方法）以及空气质量数据的统计处理，包括概率分布、超标和空气质量标准。
核心概念
第一、二部分
- 大气寿命：痕量物种在大气中停留的特征时间，把排放与浓度联系起来。
- 光解与羟基自由基：阳光驱动自由基化学，使大多数痕量气体被氧化。
- 臭氧化学：平流层中破坏臭氧的催化循环，以及对流层臭氧生成对VOC/NOx比例的依赖。
第三部分
- 粒径分布：用数量、表面积、体积或质量随颗粒直径的分布来描述气溶胶群体。
- 成核、凝结与凝并：形成并增大颗粒的过程。
- 二次有机气溶胶：由有机蒸气的氧化产物生成的颗粒。
第四至第七部分
- 沉降：通过干沉降阻力途径和降水清除气体与颗粒物。
- 辐射强迫与气候敏感性：衡量成分变化如何改变地球能量平衡的指标。
- 化学传输模型：把排放、化学和传输结合起来的数值模型。
评析
优点
- 从化学到政策相关结果的完整链条。 七个部分由痕量气体和气相化学，经气溶胶、云、气象、沉降和气候，再到模型，读者可以在一本书里追踪污染物从排放、清除到气候效应的全过程。
- 气溶胶部分内容深入。 仅第三部分就有八章，涵盖粒径分布、颗粒动力学、热力学、成核、传质、群体动力学、有机气溶胶和光学。
- 第三版做了更新。 出版社强调了新增的全球气候一章（称其为对气候强迫、反馈和气候敏感性的自成体系的讲解）、新增的有机气溶胶一章、正矩阵因子分解，以及对物理气象学、成核、气溶胶—云关系和生物源烃类化学的更新。
- 练习与参考价值。 各章末有习题（出版社说明新增了入门水平的习题），附录汇集了常数和速率常数表。
局限
- 篇幅与节奏。 全书约1,150页，超出一门课程所能涵盖的范围，课程必须取舍；成核、传质和统计模型等章节属于专门内容。
- 数学与物理化学要求。 动力学、热力学、输运方程和数值方法贯穿全书，缺乏这些基础会读得很吃力。
在课程中的定位
在这门环境与绿色化学课程中，本书是对大气讲得最专门的一本。《Chemistry in Context》通过空气质量、气候等社会议题引入化学；Raff与Hites的《Elements of Environmental Chemistry》篇幅短小，以定量估算浓度、寿命和通量为主线；Manahan的《Environmental Chemistry》是一部把化学原理应用于大气、水、土壤和生命系统的综合教材。在读Seinfeld与Pandis之前，先读其中任何一本都是合理的第一步。Lancaster的《Green Chemistry》讨论更安全的化学品和工艺的设计，与大气科学问题不同。
与本书最接近的是Schwarzenbach、Gschwend和Imboden的《Environmental Organic Chemistry》，这是一部研究生水平的教材，讲有机化学品如何在空气、水、土壤和生物体之间分配，以及如何转化。那本书追踪化学品穿过各个环境介质；Seinfeld与Pandis则集中于大气、其中的气体和颗粒物，以及大气在气候中的作用。关注空气质量的读者会发现两者互补，例如在研究半挥发性有机物与气溶胶—空气分配时。
如何使用本书
本书适合大气科学、环境工程和化学方向的研究生和研究人员，以及准备充分的高年级本科生。物理化学（动力学与热力学）、微积分和微分方程是实际需要的先修基础。
一个实用的阅读方案：
- 第一门课的核心： 第1–2章用于入门，第3章学动力学，第4章学光化学，第5–6章学平流层和对流层化学，第23章建立气候框架。
- 气溶胶方向： 第8、9、10和13章，然后按兴趣读第11、14和15章；第17章把气溶胶与云联系起来。
- 清除与输送： 第16、18、19和20章，涉及气象、扩散和沉降。
- 建模与数据分析： 熟悉前面的化学之后读第25和26章。
要做章末习题，尤其是第3–6章和第8–10章，这些章节中的计算承载着论证；分析反应机理时把速率常数附录放在手边。