01 / 導讀
導讀
引用
Seinfeld, J. H., & Pandis, S. N. (2016). Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change (3rd ed.). Wiley.
章節概要
第三版約1,150頁，共七個部分、26章，另有單位與常數、大氣反應速率常數、縮略語三個附錄。多數章節末尾附有習題。出版社介紹說，每個主題都從基礎科學出發，一直講到在實際問題中的應用；本版新增了全球氣候一章、大氣有機氣溶膠一章，以及正矩陣因子分解（positive matrix factorization）的講解。
第一部分，第1–2章：大氣；大氣痕量成分
第1章交代背景：地球大氣的歷史、氣候、大氣分層、氣壓與溫度的垂直分布、物質含量的表示方法、大氣顆粒物，以及大氣過程的空間與時間尺度。第2章先介紹大氣壽命，再依次概述含硫、含氮、含碳、含鹵素的化合物、臭氧、顆粒物、汞和排放清單。章末兩個附錄分別概述美國空氣污染立法和有害空氣污染物。
第二部分，第3–7章：化學動力學；大氣輻射與光化學；平流層化學；對流層化學；大氣水相化學
第3章提供後文所需的動力學：反應級數、碰撞理論與過渡態理論、準穩態近似、激發態物種、三分子反應、化學族和氣體—表面反應。第4章講輻射、比爾—朗伯定律、光化通量、光解速率，以及O3和NO2的光解。第5章討論平流層化學，從查普曼機理出發，經NOx、HOx和鹵素循環，到臭氧洞、極地平流層雲、非均相化學和臭氧消耗潛能。第6章是本部分最長的一章，涉及對流層羥基自由基、NO2–NO–O3循環、CO和甲烷的氧化、VOC與NOx在臭氧生成中的作用、烷烴、烯烴、芳烴以及異戊二烯和蒎烯等生物源烴類的化學，還有含硫、含氮、鹵素和汞物種。第7章轉向大氣中的液態水：亨利定律、水相平衡，以及S(IV)到S(VI)的氧化途徑。
第三部分，第8–15章：氣溶膠
第8、9章描述氣溶膠的粒徑分布（包括對數正態分布）、不同環境中的實測氣溶膠、化學組成，以及單個顆粒的動力學（平均自由程、斯托克斯定律、沉降、布朗運動）。第10章把熱力學用於氣溶膠，涉及含水量、潮解、開爾文效應和無機氣溶膠體系。第11章講成核，從經典均相成核理論到離子誘導成核和大氣新粒子生成。第12章討論傳質及其對水相化學的限制。第13章講凝結、凝並以及氣溶膠群體的一般動力學方程。第14章為本版新增，講二次有機氣溶膠的生成、揮發性、氣—粒分配、模型以及有機氣溶膠的全球收支。第15章講顆粒對光的散射與吸收以及能見度。
第四部分，第16–18章：物理與動力氣象學；雲物理；大氣擴散
第16章提供後續章節所需的氣象學知識：低層大氣溫度、穩定度、溼空氣、近地層守恆方程和風隨高度的變化。第17章講液滴平衡、雲和霧的形成、液滴增長、雲凝結核以及氣溶膠的雲加工。第18章發展湍流擴散的尤拉與拉格朗日描述、統計理論、高斯煙羽解、擴散引數和煙羽抬升。
第五部分，第19–20章：乾沉降；溼沉降
第19章建立乾沉降的阻力模型（空氣動力學阻力、準層流阻力和表面阻力）並討論測量方法。第20章講溼清除：雲下氣體清除、降水對顆粒物的清除、雲內清除和酸沉降。
第六部分，第21–24章：大氣環流；全球循環：硫與碳；全球氣候；氣溶膠與氣候
第21章介紹哈得來環流圈、費雷爾環流圈和極地環流圈、科里奧利力、地轉風和水文循環。第22章討論大氣硫循環和全球碳循環。第23章為本版新增，涵蓋地球能量平衡、輻射強迫、溫室效應、氣候強迫因子、氣候敏感性和反饋。第24章分析氣溶膠層如何散射和吸收輻射，以及它們對氣候的直接與間接影響。
第七部分，第25–26章：大氣化學傳輸模型；統計模型
第25章講箱模型、三維化學傳輸模型、一維拉格朗日模型、數值求解方法和模型評估。第26章講受體模型（化學質量平衡、因子分析、利用風資訊的方法）以及空氣品質資料的統計處理，包括機率分布、超標和空氣品質標準。
核心概念
第一、二部分
- 大氣壽命：痕量物種在大氣中停留的特徵時間，把排放與濃度聯絡起來。
- 光解與羥基自由基：陽光碟機動自由基化學，使大多數痕量氣體被氧化。
- 臭氧化學：平流層中破壞臭氧的催化循環，以及對流層臭氧生成對VOC/NOx比例的依賴。
第三部分
- 粒徑分布：用數量、表面積、體積或質量隨顆粒直徑的分布來描述氣溶膠群體。
- 成核、凝結與凝並：形成並增大顆粒的過程。
- 二次有機氣溶膠：由有機蒸氣的氧化產物生成的顆粒。
第四至第七部分
- 沉降：透過乾沉降阻力途徑和降水清除氣體與顆粒物。
- 輻射強迫與氣候敏感性：衡量成分變化如何改變地球能量平衡的指標。
- 化學傳輸模型：把排放、化學和傳輸結合起來的數值模型。
評析
優點
- 從化學到政策相關結果的完整鏈條。 七個部分由痕量氣體和氣相化學，經氣溶膠、雲、氣象、沉降和氣候，再到模型，讀者可以在一本書裡追蹤污染物從排放、清除到氣候效應的全過程。
- 氣溶膠部分內容深入。 僅第三部分就有八章，涵蓋粒徑分布、顆粒動力學、熱力學、成核、傳質、群體動力學、有機氣溶膠和光學。
- 第三版做了更新。 出版社強調了新增的全球氣候一章（稱其為對氣候強迫、反饋和氣候敏感性的自成體系的講解）、新增的有機氣溶膠一章、正矩陣因子分解，以及對物理氣象學、成核、氣溶膠—雲關係和生物源烴類化學的更新。
- 練習與參考價值。 各章末有習題（出版社說明新增了入門水平的習題），附錄彙集了常數和速率常數表。
侷限
- 篇幅與節奏。 全書約1,150頁，超出一門課程所能涵蓋的範圍，課程必須取捨；成核、傳質和統計模型等章節屬於專門內容。
- 數學與物理化學要求。 動力學、熱力學、輸運方程和數值方法貫穿全書，缺乏這些基礎會讀得很吃力。
在課程中的定位
在這門環境與綠色化學課程中，本書是對大氣講得最專門的一本。《Chemistry in Context》透過空氣品質、氣候等社會議題引入化學；Raff與Hites的《Elements of Environmental Chemistry》篇幅短小，以定量估算濃度、壽命和通量為主線；Manahan的《Environmental Chemistry》是一部把化學原理應用於大氣、水、土壤和生命系統的綜合教材。在讀Seinfeld與Pandis之前，先讀其中任何一本都是合理的第一步。Lancaster的《Green Chemistry》討論更安全的化學品和工藝的設計，與大氣科學問題不同。
與本書最接近的是Schwarzenbach、Gschwend和Imboden的《Environmental Organic Chemistry》，這是一部研究生水平的教材，講有機化學品如何在空氣、水、土壤和生物體之間分配，以及如何轉化。那本書追蹤化學品穿過各個環境介質；Seinfeld與Pandis則集中於大氣、其中的氣體和顆粒物，以及大氣在氣候中的作用。關注空氣品質的讀者會發現兩者互補，例如在研究半揮發性有機物與氣溶膠—空氣分配時。
如何使用本書
本書適合大氣科學、環境工程和化學方向的研究生和研究人員，以及準備充分的高年級本科生。物理化學（動力學與熱力學）、微積分和微分方程是實際需要的先修基礎。
一個實用的閱讀方案：
- 第一門課的核心： 第1–2章用於入門，第3章學動力學，第4章學光化學，第5–6章學平流層和對流層化學，第23章建立氣候框架。
- 氣溶膠方向： 第8、9、10和13章，然後按興趣讀第11、14和15章；第17章把氣溶膠與雲聯絡起來。
- 清除與輸送： 第16、18、19和20章，涉及氣象、擴散和沉降。
- 建模與資料分析： 熟悉前面的化學之後讀第25和26章。
要做章末習題，尤其是第3–6章和第8–10章，這些章節中的計算承載著論證；分析反應機理時把速率常數附錄放在手邊。