大氣中之乾、濕沉降特性

2.3.1 乾沉降

乾沈降的定義為粒子藉由非降雨(Non-precipitation)作用在大氣中通過質量傳遞 到受體表面的去除程序〔Wu 等，1992〕。即懸浮粒子在沒有降水的情況下，其可通 過渦流擴散(Eddy Diffusion)作用和重力沈降作用輸送至地表，粒子一旦到達地表即被 地表的固體或液體表面吸附而從大氣中消失，完成全部乾沈降過程。渦流為一團空氣 以各種形狀做隨意運動，猶如在管中或帄板上所產生的渦流。乾沈降為環境中污染物 自大氣移除之重要機制〔Noll 等，1988〕，同時亦為污染物質進入地表與水體的重 要途徑。長久以來，河川湖泊及近海沿岸受到重金屬與 PAHs 的嚴重污染，對於這些 具毒害性物質之乾沈降特性有必要做詳實之回顧。對於微粒從大氣中的去除，乾沈降 提供了一個重要的機制〔Noll 等，1988〕。其程序可以用三個階段來解釋：第一個 階段，污染物從大氣的最低層次(Lowest Levels)被攜帶進入到微薄而環繞每個物(受) 體的黏滯性次層(Viscous Sublayer)；第二階段則是污染物通過邊界層的傳輸作用；第 三階段為污染物最終到達受體表面並與受體表面產生物理或化學反應作用。此三個階 段分別是氣動傳輸(Aerodynamic Transport)、邊界層傳輸(Boundary Layer Transport)和 表面作用(Interaction)。

影響大氣粒狀物乾沈降到受體表面上的速率因素包括受體表面的特性、沈降污染 物的性質和氣象條件等〔Fang 等，1996；Lindberg 等，1988〕。受體表面特性對乾 沈降具有絕對的影響，其形狀決定受體表面附近大氣流動情形。污染物本身之特性亦 會影響污染物自大氣傳輸至收集表面之機制，決定污染物是否會被替代表面所收集成 為其最終歸宿。氣象因素包括大氣穩定度、擾流度、零帄面高度、分離流、剖面風速、

溫溼度、地形及風速等。在高風速大氣不穩定之條件下，有助於乾沈降之發生；反之，

低風速及穩定之大氣條件下，乾沈降速度將減低。乾沈降速率除前述影響因子外，已 經 沈 降 至 受 體 的 污 染 物 亦 可 能 因 再 捲 揚 作 用 而 再 懸 浮 於 大 氣 中 。 Davidson &

Friedlander〔1978｝曾證實乾沈降的速度為粒徑大小的函數，且 McMahon & Denison

〔1979〕指出乾沈降速度相對於風速與黏滯速度趨近於線性方程式。

2.3.2 濕沉降

掃除過程是維持大氣成份相對穩定的重要因子。如沒有掃除過程，許多大氣成份 將因地表源的不斷排放而迅速累積。通常掃除過程區可分成兩大類：乾沈降和濕沈降 (掃除)過程〔Lee 等，1992〕，而其中濕沈降是許多大氣成份的有效快速掃除過程。

當降落的水氣凝結體(如雨滴、雪片等)把大氣微量成份帶到地面使之從大氣中消失的 過程稱為濕掃除過程，或稱為濕沈降過程。在沒有形成降水之雲的生成、發展和消失 過程有點像大氣中的化學轉化過程，它對於整體大氣而言不構成掃除過程，但卻使許 多大氣成份的物理、化學特徵發生了巨大的變化。這種變化可能對大氣成份的宿命造 成一定程度上的影響〔陳飛良，1999〕。Van Noort & Wondergem〔1985〕等曾針對 微粒被雨水掃除之機制進行研究，發現微粒之去除主要是雲內(In-cloud)掃除及雲下 (Below-cloud) 掃 除 。 雲 內 掃 除 主 要 是 擴 散 (Diffusion) 、 攔 截 (Interception) 及 衝 擊 (Impaction)三個機制，其為存在於雲內系統的小微粒 (可能為氣體分子或氣懸膠體)，

因為成核作用、擴散運動或靜電吸引，而與大氣中水份結合，逐漸形成大微粒的降水 型態。而雲下掃除主要是大微粒之重力碰撞，其當含有污染物的降水脫離雲雨系統而 降落至地表，在其落下過程，會吸收、吸附或攔截大氣中的污染物。於雲下掃除中，

因降雪有其較大的粒徑和比表面積的雪片，其微粒掃除效率較降水為良好〔Franz 等，

1998〕。一個雨滴由形成到變為降雨而被收集的過程中，其間所收集到的污染物，是 藉由雲內掃除及雲下掃除相互作用的結果。Lee 等〔1992〕在美國伊利諾州芝加哥市 進行大氣中多氯聯苯之濕沈降及大氣濃度之取樣及測定，以探討大氣沈降作用對於粒 狀物相及氣相中多氯聯苯之掃除作用及其特性。研究結果顯示都會區大氣中多氯聯苯 之濕沈降率相當高，大氣為多氯聯苯傳播重要途徑之一。同時，雨水中總多氯聯苯之 濃度與降雨強度成反比，降雨強度愈小時，雨水中多氯聯苯之濃度愈高。其與大氣中 大顆粒之粒狀污染物有關之高氯族，如：六氯聯苯、七氯聯苯及八氯聯苯在雨水中具 有較高之沖刷比，這亦說明雨水對多氯聯苯之清除以雲下掃除作用較為顯著。而雲內 掃除之效率大於雲下掃除〔Slinn 等，1978〕。

氣溶膠微粒的濕沈降掃除過程是從雲開始形成的那一時刻開始。事實上氣溶膠微 粒是雲形成時必不可少的條件〔王明星，1992〕。當空氣的相對濕度達到某一臨界值 時，有些氣溶膠微粒就會開始活化，水氣開始在這些微粒上凝結。我們稱氣溶膠中這 些能被活化的微粒為凝結核。顯然地凝結核是一個相對的概念，因為在低飽和度條件

下不能活化的微粒在較高的飽和度條件下有可能活化〔陳飛良，1999〕。當一個微粒 開始活化成為凝結核的最低相對濕度，即臨界相對濕度的高低取決於微粒的物理、化 學特性，即微粒的大小、形狀、化學組成、表面吸濕性及可溶性等。一般來說，微粒 愈大，吸濕性愈強，溶解度愈高，其臨界相對濕度就愈低，反之亦然。當凝結核逐步 凝結成雲並形成降水時，這些氣溶膠微粒將全部被清除。如果雲不形成降水，這些氣 溶膠微粒雖未被從大氣中清除，但它們在雲消散以後已完全改變原來的面貌。換句話 說，雲形成以前的氣溶膠微粒消失了，雲滴蒸發消散以後留下了新的氣溶膠微粒。而 在凝結核逐步凝結長大，大氣中出現雲以後，那些不能活化為凝結核的小微粒將會通 過碰撞凝結過程被已形成的雲滴吸收。小微粒在雲中有較強的布朗擴散運動，微粒愈 小，布朗擴散運動愈激烈愈容易與雲滴碰撞，被吸收的機會也就愈多。整體來說，濕 沈降掃除過程能有效地清除所有尺度的可溶性微粒、極小的和極大的不可溶性微粒，

所以這部份微粒在大氣中宿命較短。只有半徑大約為 0.1 μm 左右的不可溶性微粒最 不容易被濕沈降掃除過程清除。所以這部份微粒是大氣中宿命最長的微粒，因為氣溶 膠微粒是大氣中許多化學反應過程的終極產物，氣溶膠的上述這些特點在許多大氣化 學過程中有著重要作用〔王明星，1992〕。但在實際大氣中有許多微量氣體能與降雨 水滴中的物質發生複雜的化學反應，其掃除過程也就相對地複雜化。一般反應性氣體 的濕沈降掃除效率是由下列三個因素所決定：(1)氣體向水滴表面的輸送速度；(2)氣 體向水滴內部的擴散速度；(3)氣體在水滴中的化學轉化速度。前兩項因素是由微量 氣體、空氣和水的物理性質所決定，在實際大氣條件下，這兩種過程比雲滴形成過程 和雨滴下降過程還要快，一般可採用帄衡態理論處理。第三項因素主要是由微量氣體 和水滴中所含其它化學物質的濃度和性質所決定的，如果反應速度較慢，則物理帄衡 仍可達到，濕沈降掃除效率將主要由化學轉化速率決定。如果反應速度很快，物理帄 衡態將無法建立，則掃除效率主要受到由前兩項因素所限制。這種情況在實際大氣中 並不多見〔王明星，1992；陳飛良，1999〕。霧和露的形成可以對大氣微量成份構成 掃除〔Lovett & Kinsman，1990〕，但它們與之前所討論的乾沈降過程和濕沈降掃除 過程都不相同。霧滴可能包含高濃度的污染物成份。霧滴形成的物理過程和雲滴本質 上並沒有差別，霧滴對於大氣微量氣體和氣溶膠微粒的吸收機制也和雲中的過程完全 一樣。所不同的是霧在近地表大氣中形成，在霧的宿命尺度內，許多霧滴可因重力沈 降和湍流輸送作用到達地面而達成對微量氣體和氣溶膠微粒的清除作用。同時，霧滴

也很容易被地表物體(如植被、建築物等)的垂直表面所截獲，構成另一類掃除過程。

在大面積森林地區，這類清除過程可能是很重要的〔Horstmann & Mclachlan，1998

〕。另外，霧的形成可改變地表物體表面的物理化學特徵，從而改變氣溶膠微粒和微 量氣體的乾沈降過程和乾濕沈降速度。而露的形成主要是改變地表物體表面的物理化 學特徵，從而改變乾濕沈降速度。大的露滴也可能直接吸收氣溶膠微粒和某些可溶性 微量氣體〔陳飛良，1999〕。