广州地化所、深地科学卓越创新中心提出黑碳参与的光化学反应促进硫酸盐形成的观测证据

  
  作为典型的短寿命气候强迫因子,黑碳(BC)通过直接吸收阳光和降低冰雪表面的反射率加剧地球变暖,产生辐射效应,是仅次于二氧化碳的致暖因子。虽然新鲜排放的BC颗粒包含极为少量的包裹物,但大气老化使BC颗粒混合极为复杂的化学成分(混合状态),导致BC颗粒的形态、吸湿性和光学特性发生相当大的变化,使得其辐射效应难以被准确预测。
  关于BC混合状态的研究通常认为其大气老化仅与二次气溶胶组分(例如硫酸盐、硝酸盐和有机物)的凝结有关。近年来,有实验室研究证据表明BC可能具有光化学活性或作为催化剂影响其大气老化过程(包括引发有机物的氧化及硫酸盐的形成等)。然而,目前仍没有直接证据表明BC的这些内在属性是否(或多大程度上)会影响它在实际大气中的老化过程,包括其中二次气溶胶成分的形成和演化。实际观测研究中存在的主要挑战是需要追踪含BC颗粒的老化过程,这有赖于在单颗粒尺度上准确识别BC颗粒物及其中的二次气溶胶成分。
  针对这一问题,yb体育网址有机地球化学国家重点实验室、深地科学卓越创新中心大气环境与空气污染学科组张国华特任研究员、傅玉珍博士及毕新慧研究员等人使用单颗粒气溶胶质谱仪(广州禾信SPAMS)在单颗粒尺度上有效区分了城市大气中含BC和不含BC颗粒物(图1),并根据其质谱特征对比研究了其中硫酸盐/硝酸盐比值 (SNR) 的季节/昼夜变化特征(图2)。在排除了共同来源、硝酸盐形成、过渡金属等混杂因子干扰的基础上,发现:(1)含BC颗粒的SNR显著高于不含BC颗粒,含BC颗粒的SNR随单个颗粒中BC相对含量增加而增大;(2)SNR季节峰值出现在夏季和秋季,昼夜峰值出现在午后,与辐射相关参数(即太阳辐射和温度)的变化趋势一致。据此推测BC参与的光化学作用产生硫酸盐是含BC颗粒中硫酸盐相对富集的主要原因。多元线性回归和随机森林分析SNR 变化的决定因素进一步支持了该推论:含BC颗粒的SNR变化可以较大程度上通过辐射相关参数(> 30%)和单个颗粒中BC相对含量(~20%)解释,但前体物的影响极为有限(SO2/NOx:< 5%);不同的是,辐射相关参数仅能解释< 10%不含BC颗粒中SNR的变化。
   
图1:(a)含BC颗粒(BC-containing particles)和(b)不含BC颗粒(BC-free particles)的特征质谱图。红色质谱峰表示含BC颗粒中显著增强的特征离子(与不含BC颗粒相比)
   
图2:(a) 含BC颗粒和不含BC颗粒 SNRs 的(a)季节变化(10%-90%分位数)和(b)昼夜变化(小时均值95%置信区间)
  这一观测证据将实验室结果扩展到环境大气,主要强调了BC内在属性对其光化学演化的重要性,可能显著影响其中硫酸盐的相对富集,特别是在夏季和秋季。因为形成的硫酸盐对于评估含BC颗粒的吸湿性、相态和光学特性至关重要,该结果可为更准确解释BC在环境大气中的演变和气候影响提供参考依据。一方面,鉴于BC是城市大气颗粒物的重要组成部分,这种作用可能对硫酸盐的形成和演化具有重要的贡献,值得进一步定量评估(特别是考虑雾霾事件中多相反应对硫酸盐形成的贡献时)。另一方面,硫酸盐作为中国重污染地区BC光吸收增强的主要驱动因素之一,通过这一机制造成其在BC颗粒上的相对富集对BC光吸收增强的潜在贡献仍有待评估。
  本研究受到国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、中科院青年创新促进会等项目的联合资助。相关研究成果近期发表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres,主要合作者包括yb体育网址王新明研究员和英国伯明翰大学时宗波教授等人。
  论文信息:Zhang G., Fu Y., Peng X., Sun W., Shi Z., Song W., Hu W., Chen D., Lian X., Li L., Tang M., Wang X., Bi X., 2021. Black Carbon Involved Photochemistry Enhances the Formation of Sulfate in the Ambient Atmosphere: Evidence From In Situ Individual Particle Investigation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 126, e2021JD035226. doi:10.1029/2021jd035226.
(有机地球化学国家重点实验室供稿)
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