黑碳颗粒可以作为活性雾滴的重要凝结核

雾是指大气中的水汽达到饱和以后,空气中的气溶胶粒子将吸水活化成雾滴,漂浮在贴近地面气层的现象。雾的形成通常使大气能见度减小到1千米以下,显著影响人们的生活。不仅如此,雾的形成为大气化学反应提供丰富的液相表面,影响大气化学过程,从而影响气溶胶的寿命、理化特征等,最终影响气溶胶的环境和气候效应。目前对于雾的研究十分有限,主要是通过收集雾水分析其总的化学成分信息。然而,对于哪些气溶胶粒子更容易成为雾滴凝结核及雾过程对气溶胶理化特征的影响机制仍不得而知。

近期,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毕新慧研究团队在雾滴凝结核研究方面取得新进展。该团队在国际上率先使用地用逆流虚拟撞击器-单颗粒气溶胶质谱仪的联用(GCVI-SPAMS)实现了对单个活性雾滴颗粒的在线分析,解决了在地面无法直接观测雾凝结核的难题。研究分析了广州市春季典型雾过程中的1305个雾滴残余颗粒,首次发现黑碳颗粒可以作为活性雾滴的重要凝结核,在雾滴残余颗粒数中的占比高达68%。

以往研究认为黑碳颗粒的吸湿性较弱,对于云雾形成的贡献十分有限。该研究认为,在城市大气中当黑碳颗粒快速老化与二次气溶胶组分形成内混结构后,其吸湿性有可能大幅增强,使得黑碳颗粒能够成为雾滴的重要凝结核。同时,雾滴的形成加快了黑碳颗粒与硝酸盐而不是硫酸盐的内混,这主要是因为城市大气中汽车尾气排放的大量NOx等前体物,其浓度远高于硫酸盐的前体物SO2。这一研究结果补充了以往研究认为硫酸盐的形成是黑碳颗粒的主要老化机制。研究还发现有机物和铵根在雾滴残余颗粒中的比重极低,对于雾滴形成的贡献并不显著。雾过程对有机胺形成的促进作用主要是体现在雾间隙颗粒上,而并非活性雾滴中。云和雾的形成过程相类似,因此,本研究对于认识气溶胶成云机制以及模型预测其间接气候效应具有重要的参考价值。评审专家认为该研究填补了目前对黑碳颗粒气候效应认识的重大不足。

该研究受到中科院先导专项B、国家自然科学基金以及广东省领军人才项目的资助。相关论文:

Xinhui Bi, Qinhao Lin, Long Peng, Guohua Zhang* , Xinming Wang, Fred J. Brechtel, Duohong Chen, Mei Li, Ping’an Peng, Guoying Sheng, Zhen Zhou. In situ detection of the chemistry of individual fog droplet residues in the Pearl River Delta region, China. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2016. 121 (15). 9105-9116.


图 1. 雾滴残余颗粒中各颗粒类型比重随粒径的分布特征


图 2. 雾滴残余颗粒与(a)雾后颗粒和(b)雾过程间隙颗粒化学成分的差异