碳质气溶胶 (Aerosols)

碳质气溶胶(Carbonaceous Aerosols) 是大气气溶胶的重要组成部分,可影响全球气候变化、大气能见度、区域空气质量和人类健康。若不考虑碳酸盐,气溶胶中的碳质可分为有机碳(OC)和元素碳(EC)两大类,是大气气溶胶中的重要组成部分。如,在广州,包括元素碳(EC)、一次有机气溶胶(POA)、二次有机气溶胶(SOA)等在内的有机质,在PM2.5质量中所占比重可达40~50%。

碳质气溶胶具有大气辐射强迫和气候效应。一般而言,有机碳(OC)对气候的影响总体表现为变冷作用;EC可吸收红外和部分可见光波段的太阳辐射,使周围大气增温,表现为变暖作用,EC是全球大气系统中仅次于CO2的增温组分。但是,近年发现,OC中的部分有色物质,可在紫外-近可见光波段发生有效光吸收,是气溶胶中除EC外,可引起大气增温的另一类重要气溶胶碳质,即所谓棕色碳(Brown Carbon, BrC)。初步的模式估算结果表明,人为气溶胶中的BrC可贡献高达约19% (+0.25 W m−2)的能量吸收,大致相当于EC贡献的三分之一。BrC甚至有可能将气溶胶的冷却效应“翻转”为升温作用。在源区与云上,BrC的光吸收在大气光化学和水循环中扮演重要角色。值得指出,生物质燃烧(Biomass burning)排放,可能是大气中BrC的最重要来源。

稠环芳香有机质(Polyaromatic organic matter, POM)可能是碳质气溶胶中最多的一类有机质,是从小分子多环芳烃—纳米分子簇—烟炱/黑碳的连续谱(continum),参与甚或主导着碳质气溶胶的吸光性、毒性及其大气化学演化。其中,如苯并【a】芘是大气 颗粒物中最为典型的强致癌POM物质,芳香结构是水溶性和脂溶性OC中最基础的吸光结构。但是,常见的对气溶胶中POM的定量分析,除EC外,多限于以美国EPA颁布的16种种多环芳烃(PAHs)为靶向,但这些优控PAHs的量,仅占气溶胶OC中POM总量的不足1%,可见,系统开展碳质气溶胶中POM的来源—组成—光性/毒性及其大气 演化的研究,均甚为必要。

碳同位素是示踪大气碳质气溶胶来源和大气过程的有力工具。不同碳质组分的稳定和放射性碳同位素组成(δ13C和Δ14C),可提供关于其来源和过程的重要信息,信噪比(S/N)高、可比性强。黑碳(BC)的δ13C-Δ14C“双碳”同位素示踪技术近年广泛应用。对于OC,除总OC、水溶 性OC (WSOC)的双碳同位素外,还可根据不同研究目的和研究对象,进行重要有机化合物/分子标志物单体的碳同位素分析(Compound-specific isotope analysis, CSIA; Compound-specific radiocarbon analysis, CSRA),以获得更为专属的信息。

大气中萘(中等挥发有机化合物IVOC替代物)的单体Δ14C -δ13C- δ2H三元同位素示踪(Tang Tiangang et al., 2020, ES&T)

研究组近期在碳质气溶胶领域的工作,主要围绕以下五个主题开展:

  • 城市气溶胶的氧化潜势(王嘉琦)
  • 棕碳(BrC)有机质及其大气演化 (莫扬之、唐娇、姜鸿兴)
  • 区域碳质气溶胶的同位素示踪(苏涛、王晓)
  • 气溶胶碳质组分的单体δ13C-Δ14C测量与应用(徐步青)
  • 气溶胶中POM的环境命运与毒性演化(张伯龙、唐娇、邵英健)

此研究方向的主要研究人员包括张干、李军、钟广财和赵时真。金彪提供同位素理论支撑;朱三元、成志能提供14C技术支撑。在所内,我们与本室马慧敏(环境毒理学)、蒋彬博士(超高分辨质谱技术)合作,共同开展POM物质组成与演化研究;与宋健中合作开展大气BrC的研究。在国内,我们与北京大学郑玫、复旦大学陈颖军、中科院烟台海岸带研究所田崇国、中国气象科学研究院支国瑞、南京信息工程大学章炎麟、武汉大学成海容、暨南大学刘俊文、广东省环境监测中心陈多宏等具密切的合作关系。我们也与香港理工大学李向东、郭海、瑞典斯德尔摩大学Orjan Gustufsson等合作,开展相关研究工作。

此方向经费,主要来自基金委(重点、面上项目),如,

  1. 国家自然科学基金重点项目“大气颗粒物中多环芳香有机质(POM)化学组成与毒性的分布和演化”,42030715,2021-2025,301万元,张干主持。
  2. 国家自然科学基金面上项目“生物燃烧机动车有机污染排放及其环境效应”,419070011,李军主持。

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图1 博士生蒋昊余(右三)、耿晓飞(左二)在泰国曼谷设置大流量大气采样器(与泰国农业大学环境学院合作)。

Naresuan

图2 博士生蒋昊余(左一)、耿晓飞(左二)在泰国中部Phitsanulok设置大流量大气采样器(与泰国Naresuan大学环境学院合作)。

 Malaysia

图3 研究组设置在马来西亚Buchok的大气背景站(与马来亚大学海洋与地球科学中心合作)。

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图4 博士生耿晓飞在南海和印度洋采集气溶胶样品。

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图5 研究组设置在浙江宁波横溪的大气背景观测站(2008—)。

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图6 基于热化学的两阶段气溶胶OC、EC分离制备系统。

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图7 基于商用OC/EC (TOT)分析仪改装的微量样本OC、EC分离制备与AMS气体源14C测定技术。