近日，《自然—通訊》在線發(fā)表了一項(xiàng)中外科學(xué)家合作的成果：通過(guò)測(cè)定液相二次有機(jī)氣溶膠（SOA）單體分子的碳十四同位素，提供了化石來(lái)源碳對(duì)中國(guó)大氣中液相SOA生成巨大貢獻(xiàn)的關(guān)鍵科學(xué)證據(jù)。
中科院院士、北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授朱彤對(duì)該成果評(píng)述說(shuō)，這一新認(rèn)識(shí)對(duì)我們更好地模擬SOA生成、評(píng)價(jià)其氣候和環(huán)境效應(yīng)，以及更精準(zhǔn)地控制空氣污染，都有著重要意義。
該研究由中科院廣州地球化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱廣州地化所）研究員張干、瑞典斯德哥爾摩大學(xué)教授奧利昂·古斯塔夫松、日本中部大學(xué)教授河村公隆等合作完成。
以小見(jiàn)大
SOA是大氣細(xì)顆粒物的重要組分，對(duì)空氣質(zhì)量、全球氣候變化和人體健康有著重要影響。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明，有機(jī)前體物在云霧滴和含水氣溶膠中的液相化學(xué)轉(zhuǎn)化是SOA生成的重要途徑。
由于植物排放前體物（如植物揮發(fā)、生物質(zhì)燃燒）比化石燃料源前體物（如燃煤、機(jī)動(dòng)車(chē)排放）的極性更強(qiáng)、更親水，過(guò)去的研究多聚焦于植物排放前體物轉(zhuǎn)化生成液相SOA的過(guò)程，缺乏對(duì)人為化石燃料源貢獻(xiàn)的精準(zhǔn)量化。
“大氣顆粒物成分復(fù)雜、來(lái)源多樣，難以解析，而有機(jī)地球化學(xué)的研究風(fēng)格正是從關(guān)鍵的標(biāo)志性有機(jī)化合物切入，見(jiàn)微知著?！睆埜蓪?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示。
草酸是SOA中含量最高的組分之一，在大氣液相化學(xué)過(guò)程中扮演重要角色。因此，張干等人選擇以草酸為主的一系列小分子有機(jī)酸作為液相SOA的示蹤物。他們?cè)谖挥谥槿俏髂喜康您Q山大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)超級(jí)站（以下簡(jiǎn)稱鶴山站）采集了一整年的大氣細(xì)顆粒物樣品，開(kāi)展研究。
“當(dāng)鶴山站的氣團(tuán)起源于內(nèi)陸時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)草酸及其液相前體物（乙醛酸、丙酮酸）的穩(wěn)定碳同位素（δ13C）組成明顯變輕。這是大氣液相過(guò)程中較輕的同位素優(yōu)先參與大氣化學(xué)反應(yīng)并在產(chǎn)物中富集的特征信號(hào)?！闭撐牡谝蛔髡?、廣州地化所博士后徐步青說(shuō)。
尋找證據(jù)
研究人員結(jié)合氣溶膠液態(tài)水含量、水溶性有機(jī)碳等一系列指標(biāo)，給出了以草酸、乙醛酸、丙酮酸作為液相SOA示蹤物的證據(jù)。接下來(lái)，研究人員使用放射性碳十四同位素，量化了幾種液相SOA分子中生物來(lái)源碳和化石燃燒來(lái)源碳的相對(duì)占比。
“碳十四同位素的半衰期約為5730年，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)演化，煤、石油、天然氣等化石燃料中的碳十四已完全衰變，而生物質(zhì)的碳十四豐度卻和當(dāng)前大氣基本保持一致。”張干說(shuō)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鶴山站的氣團(tuán)起源于內(nèi)陸時(shí)，液相SOA標(biāo)志性化合物的化石來(lái)源碳占比達(dá)到55%至70%。
“過(guò)去，基于整體氣溶膠組分的碳十四分析結(jié)果，大多認(rèn)為有機(jī)氣溶膠主要由生物質(zhì)來(lái)源碳貢獻(xiàn)。因此，化石來(lái)源碳對(duì)液相SOA的巨大貢獻(xiàn)確實(shí)超乎了我們的預(yù)期。”徐步青表示，當(dāng)氣團(tuán)起源于南海沿岸時(shí)，液相SOA分子中的生物來(lái)源碳占比近70%，這與內(nèi)陸氣團(tuán)形成了鮮明對(duì)比。
在我國(guó)幾個(gè)重點(diǎn)區(qū)域，張干等人同樣觀測(cè)到化石來(lái)源碳在冬季對(duì)液相SOA形成的巨大貢獻(xiàn)。
參與研究的河村公隆介紹說(shuō)：“草酸等二元羧酸的雙碳同位素指紋可以幫助揭示液相SOA的來(lái)源和形成機(jī)制。碳十四提供了關(guān)鍵證據(jù)，證實(shí)在中國(guó)這些典型城市，液相SOA分子可大量來(lái)源于化石燃料。這對(duì)中國(guó)城市大氣細(xì)顆粒物污染防治無(wú)疑有著重要的啟示作用。”
未來(lái)啟示
在我國(guó)，主要由化石燃燒源產(chǎn)生的硝酸鹽已逐漸成為氣溶膠中最重要的吸濕粒子。同時(shí)，“煤改氣”的推行使得天然氣燃燒對(duì)氣溶膠液態(tài)水的貢獻(xiàn)同樣值得關(guān)注。對(duì)此，張干表示，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整的背景下，需要統(tǒng)籌考慮化石燃料排放的有機(jī)物、二氧化硫、氮氧化物和水對(duì)液相SOA生成的貢獻(xiàn)。
張干等人提出，氣溶膠液態(tài)水、吸濕顆粒（主要包含硝酸鹽、硫酸鹽等）和液相SOA之間可能存在協(xié)同效應(yīng)。一方面，吸濕顆粒驅(qū)動(dòng)了氣溶膠的吸濕增長(zhǎng)和對(duì)氣態(tài)前體物的攝取，促進(jìn)了液相SOA生成；另一方面，液相SOA的生成會(huì)進(jìn)一步加快氣溶膠液態(tài)水含量的增加，從而形成正向反饋的通路。
這些工作對(duì)于其他地區(qū)大氣中液相二次有機(jī)氣溶膠的生成途徑和碳源研究具有方法學(xué)上的示范作用。古斯塔夫松表示，期待將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于南亞、歐洲和北極大氣中二次有機(jī)氣溶膠樣品的研究。
“張干團(tuán)隊(duì)是國(guó)際上開(kāi)發(fā)并應(yīng)用碳十四技術(shù)解決碳循環(huán)、環(huán)境污染和氣候問(wèn)題的領(lǐng)導(dǎo)小組之一。得益于先進(jìn)的單體化合物放射性碳分析技術(shù)在大氣樣品中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，這項(xiàng)合作研究向理解大氣氣溶膠重要組分的來(lái)源和大氣過(guò)程邁進(jìn)了重要一步?！惫潘顾蛩煽偨Y(jié)說(shuō)。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
