《Journal of Aerosol Science》：Coupled Effects of Core Material and Aggregate Morphology on the Optical Properties of Atmospheric Aerosols
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核心-壳层结构与聚集形态共同决定了气溶胶的光学特性。
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在测试的入射方向下，聚集体的配置
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核心-壳层结构与聚集形态共同决定了气溶胶的光学特性。
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在测试的入射方向下，聚集体的配置比核心材料导致更多的相位函数变化。
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在测试条件下，金属颗粒（MP）的替代可以增强或抑制后向散射。
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对于测试的分形情况，集合平均消光和吸收在约30次实现后趋于稳定。
引言
气溶胶通过吸收和散射太阳辐射显著影响地球的气候系统，它们是当前气候变化评估中最大的不确定性之一1, 2。准确量化气溶胶的辐射强迫需要对其微观物理和化学性质有深入的了解。气溶胶具有多样的形态[3]和不同的化学组成[4]，这些共同决定了它们的关键光学参数，如吸收截面、消光截面和单次散射反照率5, 6。这种结构-性质的关系对于吸光气溶胶（如黑碳（BC）尤为重要，因为它们的辐射效应会通过与弱吸收涂层的混合而发生强烈变化7, 8, 9。在大气老化过程中，黑碳经常与硫酸盐、硝酸盐和有机碳混合，形成具有复杂内部结构的颗粒。其中，核心-壳层结构——即一个吸收性核心被一个弱吸收性壳层覆盖——是一种常见的且具有气候意义的分混状态10, 11。准确量化这些由微观结构驱动的光学性质变化[12]是减少气溶胶辐射强迫评估不确定性的关键科学挑战。早期研究通常使用经典的Mie理论来处理均匀和核心-壳层球体13, 14, 15，但对于非球形和聚集颗粒，球形假设的局限性促使人们开发了更严格的方法，包括T矩阵方法16, 17, 18、离散偶极近似（DDA）[19]和广义多颗粒Mie解（GMM）20, 21, 22。
此后，大量研究加深了我们对涂层黑碳聚集体的理解[23]。Liu等人[24]使用叠加T矩阵方法计算了分形炭黑聚集体的光学性质，系统地研究了分形维数对吸收和散射的影响。Kahnert[25]发现，光吸收的增强不仅取决于涂层厚度，更重要的是取决于黑碳本身的聚集方式以及涂层的分布方式。Romshoo等人[26]将多球体T矩阵方法扩展到了涂层黑碳分形聚集体。这些研究表明，核心-壳层气溶胶聚集体的光学行为不仅取决于单体性质，还取决于颗粒间的排列、分布和多次散射27, 28, 29, 30, 31, 32, 33。
尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键缺口。现有的关于核心-壳层气溶胶聚集体的研究可以大致分为三个独立的领域：(i) 单颗粒核心-壳层模型（例如，用于孤立涂层球体的Mie或T矩阵方法），这些模型忽略了颗粒间的聚集；(ii) 均匀单体聚集模型，这些模型忽略了颗粒内部的异质性；(iii) 现有关于涂层黑碳（BC）分形聚集体的研究主要集中在BC核心上，而对其他吸收材料（如矿物尘埃）的研究也已经在涂层或内部混合颗粒方面进行了广泛进行33, 34, 35。据我们所知，还没有研究系统地探讨过非BC吸收核心中核心-壳层结构和颗粒间聚集的耦合影响——特别是微塑料，这是一种新兴的大气组分，其光学效应才刚刚开始被认识。
近年来，微塑料（MP）污染引起了相当大的关注[36]，并且已经确认它们在大气、水体、土壤甚至人体中普遍存在37, 38, 39, 40, 41, 42。大气中的微塑料颗粒大小从大约0.1微米到500微米不等，对气候有显著影响[47]，还可能影响云的形成[43]。然而，大气微塑料的辐射强迫方向和强度主要受表面反照率的影响[44]，这可能导致在不同表面类型（例如草地与积雪覆盖区）下产生相反的大气温效应。现有研究表明，微塑料的光学性质受到聚合物类型、颜色、颗粒大小和老化程度等因素的显著影响45, 46。在自然大气中，微塑料与其他气溶胶成分共存，可能以气溶胶簇中的亚颗粒形式存在[47]。最近基于GMM的研究47, 48开始量化含有均匀MP颗粒的气溶胶簇的光学性质，但这些研究假设每个单体在成分上是均匀的——这种理想化忽略了大气老化过程中普遍存在的颗粒内部异质性。实际上，包括MP在内的吸收性核心经常被硫酸盐或次级有机气溶胶覆盖，形成核心-壳层结构。当这种核心-壳层颗粒聚集时，存在两个不同的结构维度49, 50：颗粒内的异质性（核心-壳层结构）和颗粒间的聚集（单体的空间配置）。
为了填补这一空白，我们开发了一个统一的广义多颗粒Mie（GMM）框架，用于模拟由黑碳、棕碳或微塑料核心与硫酸盐壳层组成的气溶胶聚集体。利用这个框架，我们系统地研究了颗粒内部核心-壳层结构和颗粒间空间配置对消光、散射、吸收和角度散射分布的影响，包括Maxwell-Garnett近似的适用性、核心组成和聚集形态的作用、单体大小、多分散性和入射角度的影响，以及随机聚集体的光学截面的统计收敛性。然而，应该注意的是，这项工作关注的是理想化的簇系统，旨在揭示结构与光学响应之间的基本关系。
章节片段
由核心-壳层单体组成的聚集体的GMM解
研究系统由核心-壳层单体组成的簇结构构成，每个颗粒包含一个折射率为、半径为的核心，以及一个折射率为、半径为的壳层。平面波沿z轴入射，系统几何结构如图1所示。
在求解核心-壳层单体的电磁散射时，粒子内部和外部的电磁场通常被展开为向量球谐函数的叠加。
Maxwell-Garnett近似的适用性评估
Maxwell-Garnett有效介质近似常用于近似非均匀颗粒的光学性质[61]。为了说明严格使用GMM处理的必要性，我们首先将Maxwell-Garnett有效介质近似与在550纳米（可见光气溶胶散射研究中常见的波长）下的单个BC核心-硫酸盐壳层单体的精确GMM计算结果进行了比较。
图2显示了使用Maxwell-Garnett计算出的消光效率与...
结论与展望
基于广义多颗粒Mie散射理论（GMM），本研究量化了单个分子的内部核心-壳层结构及其聚集体的外部配置如何共同影响BC核心、BrC核心和MP核心系统的气溶胶消光、吸收、后向散射和相位函数。在当前模型框架内，对于在550纳米下研究的BC核心/硫酸盐壳层单体，Maxwell-Garnett近似与精确解吻合良好
CRediT作者贡献声明
Wenyun Wen：软件开发、概念化。 Mingjie Jiang：概念化。 Jin Wang：形式分析。 Juan Wang：资源管理、概念化；撰写 – 初稿、可视化、数据管理。 Xingcai Li：撰写 – 审稿与编辑、监督
作者声明他们没有已知的可能会影响本研究报告工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本论文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了新疆生产建设兵团的科学技术计划项目（2023AB036）、宁夏自然科学基金的优秀青年项目（2024AAC05040）以及国家自然科学基金（12064034）的支持。
Runzhi Ma|Jin Wang|Xingcai Li|Juan Wang|Yunyun Wen|Mingjie Jiang
