科学家发现大气颗粒物形成新机制

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对于全球气候的变幻莫测,人们常用 蝴蝶效应 来描述 亚马孙雨林的一只蝴蝶扇动几下翅膀,可能会在两周后引发美国得克萨斯州的一场龙卷风。那么,如果不是蝴蝶扇动翅膀,而是亚马孙雨林的空气中多了一些大气颗粒物,会给全球气候带来怎样的影响呢?

近日,大连理工大学环境学院教授谢宏彬团队与国际合作者在大气颗粒物形成机制方面取得突破性进展。根据这项发表于《科学》的研究成果,大气中颗粒物形成速率可能被严重低估 最高可达原有机制下颗粒物形成速率的1万倍。

在接受《中国科学报》采访时,谢宏彬表示,大气颗粒物对于全球气候变化有显著影响,该成果可以为防控大气污染提供基础性支持。

大气颗粒物与气候变化

提到大气颗粒物,很多人首先想到的是大气污染,尤其是雾霾对于人类健康的影响。但悬浮在空中的微小颗粒物所带来的影响远不止于此。

谢宏彬告诉《中国科学报》,从某个局部区域看,特别是将视角放在某个城市范围内,大气颗粒物的浓度通常会比较高,但对当地气候不会产生太大影响,更多是造成空气污染,影响人类健康。对此,人们的研究重点通常局限于如何降低大气颗粒物浓度。

然而,如果站在全球气候变化的角度,某个地区的大气颗粒物浓度变化产生的影响就要复杂得多。 因为大气颗粒物的组成成分不同,对阳光会产生吸收或反射的不同效果,导致局部地区大气温度升高或降低。 谢宏彬说,这种变化显然不是一只蝴蝶扇动几下翅膀所能比拟的。

但由于全球大气系统的极端复杂性,人们对于这种影响的具体效果和程度均缺乏研究。 也就是说,当某地的大气颗粒物浓度增加后,究竟会导致当地变得更冷还是更热,以及变冷或变热的程度,目前人们还难以研究清楚。 谢宏彬说。

研究清楚这些影响的一个前提是,对于大气颗粒物的成因有清晰认识,这成为目前防控大气污染和研究气候变化的一个基础和关键性内容。

因此,正确揭示大气颗粒物形成的前体物及相关机制,一直是大气环境科学研究的难点和前沿科学问题。

形成速率被低估1万倍

大气颗粒物的来源主要有两个渠道:一是燃烧垃圾、车辆尾气排放等人为因素,直接向大气释放颗粒物;二是借助某种自然机制,将空气中的气态分子转化为固态分子,最终形成颗粒物。相对而言,前者的产生机制和原理比较明确,后者则较为模糊。

自然界中大气颗粒物的形成过程类似于搭积木。 谢宏彬说,首先需要有一个前体物形成核心,一些分子会黏附到前体物上,同时也有一些分子会从前体物上脱落。当黏附的分子数量多于脱落的分子数量时,大气颗粒物便形成了。

也就是说,只有前体物具有足够 黏性 ,才容易 黏 住更多分子,最终形成大气颗粒物。

通常人们认为,大气中硫酸与碱的反应是形成前体物的主要方式。这是由于硫酸是大气中广泛存在的强酸性气体,酸碱反应也是一种最简单且常见的化学反应形式。更重要的是,这类反应所形成的物质拥有一个正负离子对,具有很强的 黏性 。 不管是硫酸与氨气的反应,还是城市中更常见的硫酸与二甲胺的反应,都属于这一类型。 谢宏彬说。

然而,谢宏彬课题组却发现了一种效率更高的反应机制。

我们发现,相比传统的硫酸-氨气二元机制,碘酸、亚碘酸、硫酸三类物质相互反应形成颗粒物的速率要高10至1万倍。此类机制也是海洋大气颗粒物形成的主导性机制。 谢宏彬解释说,表面上看,这是3种酸类物质在相互反应并形成新离子,但挖掘其深层机制后,研究团队发现该反应的本质仍是酸碱反应,只是其中的亚碘酸具有了 碱性 ,并与硫酸发生了酸碱反应,碘酸则起到了促进硫酸负离子形成的作用。

碘酸、亚碘酸和硫酸都可以形成很强的卤键,从而使新生成物具有更强的 黏性 ,这使得以其为前体物的颗粒形成效率大大提升。在大气浓度不变的条件下,效率提升就意味着颗粒物数量大大增加。 谢宏彬说。

揭示真实大气情况下的颗粒物

该新机制的发现,显然会加大人们对于大气颗粒物形成机制的研究深度。而在大气污染物的防治层面,该研究也有很强的指导意义。

具体而言,在传统认知中,人们普遍将硫作为导致大气污染及大气颗粒物增多的重要因素。因此,多年来全球都在努力降低硫排放。2020年,国际海事组织海上环境保护委员会发布了被称为 全球限硫令 的《2020年全球船用燃油限硫令实施方案》。

然而问题是,虽然硫的排放已经呈下降态势,但全球的碘排放正在增加。根据我们的研究,碘酸、亚碘酸等含碘物质在大气颗粒物的形成过程中发挥的作用被大大低估。 谢宏彬表示,这意味着要想减少大气颗粒物的产生,单纯 限硫 是不够的。

值得一提的是,相比于硫排放大多源于人类行为,大气中相当一部分的碘排放来自自然。比如海洋中含有大量的碘,而随着全球变暖、海冰逐渐变薄,海洋的碘排放量也会增加。

此外,由于大气中所含成分的种类数以万计乃至十万计,其中能够形成颗粒物的反应机制远不止二元或三元。在研究中,谢宏彬课题组就曾在城市大气中发现过由六元机制作用形成的颗粒物。

我们取得了一定的成绩,但距离完全揭示真实大气情况下的颗粒物形成过程还有一段路程,我们的研究还在路上。 谢宏彬说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.adh2526

来源:中国科学报 作者:陈彬
责任编辑:李颖

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