大气中甲磺酸盐的云凝结核活性

唐明金 研究员

由海洋浮游植物排放的二甲基硫是大气中最重要的含硫化合物之一,其排放量为海洋天然硫排放总量的95%和全球硫排放总量的1/8左右。进入大气之后,二甲基硫将被OH和NO3等大气氧化剂氧化,最终形成硫酸盐气溶胶。除了硫酸盐之外,甲磺酸盐也是二甲基硫大气氧化的重要产物之一;在海洋大气颗粒物中,甲磺酸盐的质量浓度可达非海盐硫酸盐质量浓度的10%。硫酸盐和甲磺酸盐气溶胶通过作为云凝结核,影响地球系统的辐射和能量平衡。但是,目前还没有关于甲磺酸盐云凝结核活性的研究。

中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室唐明金研究员课题组首次测定了甲磺酸钠、甲磺酸钙和甲磺酸钾的云凝结核活性,研究成果近日发表在Atmospheric Environment上。该研究发现,这三种甲磺酸盐具有较强的云凝结核活性,其kappa值分别为0.46、0.37和0.47。此外,该研究还测定了甲磺酸钠/氯化钠和甲磺酸钠/海盐混合颗粒物的云凝结核活性,发现当甲磺酸钠与氯化钠或海盐的质量比为1:10时,甲磺酸钠对氯化钠和海盐颗粒物云凝结核活性的影响很小。该研究认为,由于甲磺酸盐的云凝结核活性较强且其实际大气含量较小,一般情况下甲磺酸盐对实际大气中海盐气溶胶颗粒物云凝结核活性的影响可以忽略不计。这项研究对于进一步认识海洋气溶胶的物理化学性质以及二甲基硫的气候效应具有较为重要的意义。

本研究受到国家重点研发计划(2018YFC0213901)、自然科学基金委(91644106和 91744204)以及中国科学院“率先行动”百人计划的资助,主要合作者包括中国科学院地球环境研究所黄如锦研究员、北京大学吴志军研究员和胡敏教授、香港理工大学王哲教授和中国科学院广州地球化学研究所王新明研究员等人。

(a)硫酸盐和甲磺酸钠颗粒物的云凝结核活化曲线;(b)海盐颗粒物和甲磺酸钠/海盐混合颗粒物(质量比为1:1)的云凝结核活化曲线。四种颗粒物的直径均为50纳米。

文章信息:Tang, M. J., Guo, L. Y., Bai, Y., Huang, R. J., Wu, Z. J., Wang, Z., Zhang, G. H., Ding, X., Hu, M., and Wang, X. M.: Impacts of methanesulfonate on the cloud condensation nucleation activity of sea salt aerosol, Atmos. Environ., 201, 13-17, 2019.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231018308914?via%3Dihub

延伸阅读:[1] Tang, M. J., Whitehead, J., Davidson, N. M., Pope, F. D., Alfarra, M. R., McFiggans, G., and Kalberer, M.: Cloud Condensation Nucleation Activities of Calcium Carbonate and its Atmospheric Ageing Products, Phys. Chem. Chem. Phys., 17, 32194-32203, 2015.

[2] Tang, M. J., Li, M. Q., and Zhu, T.: Heterogeneous reactions of gaseous methanesulfonic acid with calcium carbonate and kaolinite particles, Sci. China-Chem., 53, 2657-2662, 2010.

[3] Tang, M. J., and Zhu, T.: Heterogeneous reactions of gaseous methanesulfonic acid with NaCl and sea salt particles, Sci. China Ser. B-Chem., 52, 93-100, 2009.

烃类芳构化进程中的氢同位素分馏:对地质体与陨石中芳烃化合物成因的启示

芳烃化合物广泛分布在地球上烃源岩、石油、煤以及现代沉积物中,以及分散在宇宙中的一些星际介质、陨石和小行星中。由于具有生物毒性而难以在地球活体生物内广泛合成,地质体中的芳烃化合物被认为主要来自于烃类芳构化作用。该过程涉及到烃类化合物中键的断裂和去氢作用,将导致产物芳烃及其残余前驱物发生氢同位素分馏效应。因而,开展芳烃化合物氢同位素的分馏研究对地质体及陨石中芳烃化合物的成因演化具有重要意义。

近期,中国科学院广州地球化学研究所廖泽文研究员及其团队成员程斌副研究员以正丁基环己烷(BCH)为实验对象来模拟单环烃类的芳构化过程,调查BCH热演化产物中甲苯(Tol)和甲基环己烷(MCH)的氢同位素的演化特征及其分馏机制,进而探讨烃类芳构化过程中芳烃及其前驱物的分馏特征。实验结果显示,BCH的24h热解产物中甲基环己烷和甲苯产生强烈的氢同位素分馏效应,值高达+162.3‰,这种强烈同位素分馏效应随着热解时间的延长而逐渐减弱。值、Tol/(Tol+MCH)比值与热成熟度参数(Easy Ro)具有较好的线性相关性(图1),显示了值、Tol/(Tol+MCH)比值对于轻质油藏的热演化程度可能具有一定的判识意义。

 图1

 值与热解时间的良好相关性(图2a)显示,正丁基环己烷热解时间越短,芳烃氢同位素的分馏程度越强烈,例如,在10min的热解作用下,值将高达+363.6‰。分析认为,烃类芳构化过程受到二级动力学同位素效应影响,脂肪环优先断裂键而在芳环上残留更多键,因而快速芳构化作用将导致芳烃强烈富集(图2b)。

非常有意思的是,球粒陨石中的多环芳烃强烈富集重氢同位素,上述研究结果对于认识对于球粒陨石中强烈富集的多环芳烃()成因具有重要的启示。在本文中对上述问题进行了以下两方面的思考:(1)陨石在形成与演化过程中是否存在快速的热过程?(2)陨石在穿越大气层的短暂燃烧过程中是否对其中多环芳烃的生成有贡献?

图2

该研究获得中国科学院先导科技A类专项(XDA14010103)、国家科技重大专项(2017ZX05008002)以及国家自然科学基金项目(41772117)的联合资助。相关成果发表在ACS Earth and Space Chemistry杂志上。

论文信息:Cheng B., Liang Y.G., Xu J.B., Deng Q., Wei Z.W., Faboya, O.L., Liao Z.W.*, 2018. Remarkable fractionation of hydrogen isotope (δD) of hydrocarbon during fast aromatization process: Insights from the pyrolysis experiments of n-butylcyclohexane. ACS Earth and Space Chemistry, 2, 1240–1248.

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsearthspacechem.8b00111

Elementar同位素比值质谱技术交流会

稳定同位素在地球科学、商品检验、海洋科学领域的应用

1月4日,德国元素Elementar稳定同位素比质谱技术交流会在中科院广州地化所举行。来自多个地球化学、食品真实性研究、海洋科学等领域的研究人员和研究生60余人参与了此次技术交流会。会议首选由广州地化所张干副所长和Elementar中国区总经理何元致辞。 Elementar公司邓桂凤博士、深圳海关吴浩博士、中山大学徐小明博士,应邀分别做”稳定同位素最新应用研究进展“、“稳定同位素在仪器溯源与真假鉴别中的应用”以及“稳 定同位素在海洋科学研究中应用”的报告。交流会吸引了广州地化所众多研究生的学习兴趣,效果显著。

交流会现场。
深圳海关吴浩博士的报告风趣诙谐,听众反应热烈。