«——【·前言·】——»

亚微米颗粒是在富含碳的高能材料爆炸和爆燃过程中形成的，高能炸药可以在大气中爆炸和长距离运输。微粒包括难以分解的物质，如煤烟、黑碳,并在当地、地区和全球范围内对气候和人类健康产生影响。

在这里，我们对比了爆轰烟尘气溶胶的物理、光学和化学特性，这些特性在排放因子和比率方面与来自生物质燃烧和化石燃料的传统燃烧源更有效地形成。我们首次利用环境气溶胶技术从两种众所周知的HE's (1) Comp B-3: 40%三硝基甲苯和60% 1，3，5-三硝基-1，3。

Comp B-3爆震烟灰类似于其他燃烧烟灰源，而PBX 9501烟灰相对于吸收具有高散射性，碳质化学特征包括富勒烯的存在，其不同于环境和实验室产生的烟灰替代物，并检测到微量金属，包括铝、铜、铁和锌。

«——【·介绍·】——»

凝聚相含碳颗粒物质可以从排放源在大气中被输送到很远的地方。这些被称为气溶胶的小颗粒会影响空气质量、能见度和人类健康。它们的影响范围从局部到全球，还影响到太阳辐射、云过程、天气和气候。

煤烟是一种主要由燃烧源排放的气溶胶，是一种主要的健康问题和大气变暖的驱动者。烟灰被定义为黑色粉末状或片状物质，主要由有机物质不完全燃烧产生的无定形碳组成。在大气环境中，一种基于测量的烟尘定义被称为BC。

BC被定义为具有石墨性质的聚集球体的耐火，不溶于水和普通有机溶剂，强烈吸收可见光，质量吸收系数> 5 m2 g−1在550纳米处，有时BC也被称为难治性BC 。

当我们谈论基于测量的具体定义时，我们将提到BC，来自自然和人为来源的BC，如野火、车辆、船舶、发电厂等排放的化石燃料。已在距离震源数万公里的对流层和平流层中检测到。由于其大小、光学特性和化学成分，BC还可以包含关于排放源和环境的信息。

BC源的特性取决于燃料化学、燃烧条件和大气环境，气相碳氢化合物前体在高温条件下转变为凝聚相颗粒，温度为1500 K。多环芳烃是BC前体，由气相燃料和固体燃料形成。然而，对于大多数受控源。

例如在实验室中用乙烯-氧气火焰研究的柴油发动机排放物,启动颗粒形成和生长的途径仍在阐明中。最近提出了共振稳定的烃-自由基链式反应的自由基驱动的烃聚集机理，用于初级烟灰颗粒的成核和生长。

气溶胶质谱用于鉴定聚集，称为氢碳比为2的芳族和脂族核的簇形成，已经发现BC初级粒子的聚集体直径为10-50纳米，单个核心直径为1-4纳米。对于大气中的有机燃烧源，初级颗粒的成核、生长和聚集比内燃机中的更复杂。

例如，在野火中燃烧的木材中的纤维素产生的气溶胶很大程度上取决于燃烧过程中的各种环境条件，例如温度、压力、氧气可用性、相对湿度等。以及燃烧的燃料类型，如草、灌木、针叶树等。

由于煤烟形成的机理很复杂，因此已经根据不同燃料类型和燃烧条件下产生的颗粒物数量对生物质燃烧进行了研究。针对大量不同的天然燃料类型，研究了每燃烧燃料总质量的气溶胶排放系数和BC/CO比率。

基于物理学的模型利用这些经验因素，通过对不同燃料类型和环境条件的观测，预测生物质燃烧源产生的烟尘总量。热化学流体动力学代码也适用于高能炸药复合排放物的爆炸。然而，BC和其他气溶胶的初级粒子形成的机制和过程背后的化学过程。

在通过对微物理特性的观察来阐明。爆震烟灰形成化学的科学状态同样需要更多的研究，以了解和环境条件如何影响烟灰形成和聚集动力学。爆炸烟尘具有独特的物理、化学和光学特征，有助于阐明爆炸的化学性质，以及了解对气候和人类健康的相关影响。

爆燃烟尘在大气样品中一直没有得到很好的表征，因为其他来源的环境烟尘，如来自生物质燃烧和车辆发动机的燃烧。近几十年来，化学和微物理技术的出现，有助于探测微粒并将其归因于其来源和大气形成、生长和老化过程的能力原地的取样。

为气候科学开发的直接在线环境气溶胶技术除了提供大气中高时间分辨率的实时测量外，还具有检测限的超高灵敏度。在这里，我们首次展示了这些高灵敏度和高选择性技术识别两种复合材料爆轰烟尘的能力。

我们利用气溶胶化学和实时测量技术的进步，这些技术具有超高的灵敏度和化学选择性，能够识别爆炸烟尘。使用可现场部署的仪器，将爆震烟灰特性与传统燃烧烟灰源进行对比。

«——【·材料和方法·】——»

HE复合材料被温压成2.7 g颗粒，然后用Aralhex B环氧化，制成10.8 g爆速棒，使用RP-1雷管引发爆炸，并在空气或氩气下在不锈钢圆筒中进行。

氩气被用于研究惰性气氛中的反应，以了解大气气体在烟灰形成化学中的作用。爆轰烟灰通过真空收集在Ag过滤器上。富勒烯烟灰是一种实验室标准，由直径为50纳米的球形初级粒子的分形聚集体组成。

根据制造商的说法，成分是≥90%的无定形碳和≤10%的富勒烯。将所有样品从水溶液和乙醇溶液中雾化,并用扩散干燥器干燥。用FORTRAN IV编写的用于计算已知原子组成的非均相体系的热力学状态的热化学平衡代码TIGER被用于模拟Comp B-3和PBX 9501的烟灰产生。

直到在标准温度和压力状态下达到平衡，TIGER为爆炸事件生产气相和凝聚相产品的数量，以计算排放系数和比率，用作输入值的PBX 9501和Comp B-3的标准压制密度分别为1.830和1.725g/cc。

这些密度代表准备好的装料的典型密度，而不是这些组合物的理论最大密度，假设平衡与反应的时间无关，该反应在大气条件下模拟完成，所有转化为气相产物、固体碳和液态水。PBX 9501达到34.9 GPa和3573 K，Comp B-3达到27.0 GPa和3590 K。

使用扫描迁移率粒度仪测量亚微米颗粒的粒度分布，使用微分迁移率分析仪通过电迁移率对颗粒进行分类，并通过冷凝颗粒计数器进行计数。报道了11-478nm的尺寸分布，具有1个标准偏差。

该光谱仪已在别处描述，散射的测量和消光系数是由空腔衰减相移单次散射反照率颗粒物监测仪,其已经在前面描述过。烟炱颗粒气溶胶质谱仪用于化学成分，并如前所述用激光和热蒸发器运行，该仪器对吸收1064 nm Nd:YAG激光波长并蒸发的物质具有选择性。

例如含有BC的颗粒。使用Igor Pro 为SP-AMS分析开发的AMS分析软件进行化学分析。峰值拟合的不确定性小于10%。使用标准碎片表校正。通过交替加入超高纯度HNO，溶解了大约100毫克爆震烟灰样品3和HCl 的混合物。

一共有五个HNO3/HCl循环对所有样品进行，一旦溶解，将样品加热至干燥，并加入足够体积的3 M HNO3制成每克溶液含10毫克爆炸烟尘的溶液。将任何剩余的不溶碳质材料转移到最终溶液中，并小心不要在取等分试样时干扰它。

电感耦合等离子体-光发射光谱用于测定痕量金属的存在和浓度。通过样品的系列稀释以及与相似元素标准的内部混合物的比较来测定金属浓度，以最大限度地减少基质干扰。由于每个等分试样的三次分析，所有样品和元素的测量技术的不确定性小于4%。

«——【·结论·】——»

为了研究气候影响，从飞机和地面现场实时测量烟尘的大小、质量和数量浓度。在几千公里的距离和几周到几个月的时间内，观测到了它们在对流层和平流层从大型燃料和能源的远距离迁移。周围煤烟颗粒的化学和微观物理性质取决于燃料、源条件和环境。

这些依赖性在生物质燃烧和化石燃料燃烧中得到了很好的表征。相比之下，爆炸和高能量密度火灾的类似动态气溶胶过程研究得较少。在这里，我们对比了爆轰烟尘的物理、光学和化学性质与生物质燃烧和化石燃料排放源，后者在过去十年中得到更广泛的研究。

使用在线现场可部署气溶胶仪器分析爆震烟灰特性。我们利用气溶胶化学和超灵敏实时测量的最新进展来识别爆炸烟尘。首次采用在线气溶胶技术对复合材料的爆轰烟尘进行了采样。

将Comp B-3和PBX 9501爆震烟灰与实验室生成的富勒烯烟灰和以前公布的生物质燃烧烟灰进行了比较。爆震烟灰的尺寸与新鲜高效燃烧发动机相似，但小于生物质燃烧烟灰。从光学角度来看，像PBX 9501这样的省油HE复合材料会产生在可见光范围内高度散射的涂层烟灰。

对于取样的波长，Comp B-3爆震烟灰的SSA在0.3和0.5之间，这类似于未在大气中老化的新生或初级燃烧烟灰。Comp B-3爆震烟灰类似于燃烧源产生的烟灰，而PBX 9501产生的烟灰则不同，其SSA值高达0.8，AAE值高于1。

这可能表明芯上存在可能含有棕色碳或金属的涂层，这应是未来工作的主题。我们发现PBX 9501爆轰烟灰的SSA在所有波长下都高于Comp B-3爆轰烟灰的SSA。与Comp B-3相比，PBX 9501在更高的温度和压力以及更高的氧平衡下的爆炸导致了不同的爆炸物理化学状态。

这是导致这一发现的原因。较高的SSA也与后面讨论的化学分析相一致，该分析表明，对于Comp B-3爆震烟灰，富勒烯簇离子信号较高，并且低于PBX 9501爆震烟灰的检测极限。PBX 9501爆震烟灰也不包括类似Comp B-3爆震烟灰的高碳氢化合物有机气溶胶信号。

这可以通过PBX 9501爆震烟灰中较高的氧含量来解释，如所示m/z27和43。氩气中的Comp B-3爆震烟灰具有最高的富勒烯离子信号。富勒烯离子信号在空气中的Comp B-3爆炸烟灰中也是可辨别的。

PBX 9501爆震烟灰很可能是信号受限的，但确实显示在此范围内检测到碳离子。在化学上，质谱信号包括典型的红细胞质量以及二维和三维碳结构，如之前使用SAXS所发现的。还发现了有机碳氢化合物特征以及金属的存在。

包括铝、铜、铁、铅、镍和锌，这些都是通过离线技术以及这里使用的在线气溶胶仪器测量的。我们的研究提供了关于爆震烟灰的新信息，可用于使用烟灰测量来识别点火源，这些测量用于对野火和化石燃料燃烧产生的烟灰进行大气分析，以促进气候和健康。

«——【·参考文献·】——»

安德烈，《生物质燃烧产生的微量气体和气溶胶排放——最新评估.》，2019年。

诺特，《二氧化氮和煤油.气溶胶光吸收测量用光声仪器的火焰烟灰校准》，2000年。

艾弗里，《煤烟粒子气溶胶质谱仪(SP-AMS)的双蒸发器配置的粒子探测》，2021年。