中國科大應用三氧同位素定量揭示北京霧霾期間

發布時間：2019-12-05 07:20 瀏覽次數：1386

　　導讀

　　近日，中國科大地學院謝周清教授帶領的霧霾關鍵污染物形成的大氣化學機制攻關團隊取得重要進展。研究成果以“Isotopic constraints on heterogeneous sulfate production in Beijing haze”為題發表在國際大氣環境權威期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》上。該項研究首次通過17O同位素的非質量分餾（Δ17O）定量揭示了北京APEC前后霧霾硫酸鹽的形成機制。

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　　圖1APEC前后霧霾硫酸鹽氣相、液相和非均相途徑的貢獻

　　眾所周知我國京津冀地區秋冬季面臨著嚴重的霧霾污染，而硫酸鹽是霧霾期間PM2.5的主要成分之一，定量了解硫酸鹽在霧霾期間的形成機制對于準確預測和防控霧霾非常關鍵。大氣中硫酸鹽一般來自于一次直接排放和二氧化硫氣體在大氣中的氣相、液相和非均相反應。由于不同途徑的氧化劑不同，形成的硫酸鹽中過量17O的數值不同，這種差異與氧同位素的質量無關，被稱為非質量分餾（Δ17O）。比如，臭氧(O3)的液相氧化產生的硫酸鹽Δ17O高達6.5‰，過氧化氫(H22)氧化產生的為0.7‰，氫氧自由基（OH）氧化產生的則為0‰.，基于以上認識，謝周清團隊提出了通過分析霧霾事件中硫酸鹽17O同位素的變化反演化學反應的路徑。

　　在2014年10月至2015年1月APEC前后，研究團隊在北京雁棲湖設置了大氣化學觀測和懸浮顆粒物采樣點。通過分析觀測期間的5次霧霾事件，發現PM2.5濃度的12小時平均值最高達到323微克每立方米，硫酸鹽的含量最高占到四分之一。化學動力學計算結果表明，不同的霧霾事件，硫酸鹽的形成途徑不同，比如，2014年10月24日前后發生的霧霾，由于云水含量較高，來自云中液相反應的硫酸鹽占了68%，其他4次事件，來自顆粒物表層的非均相反應貢獻了42-54%（圖1）。

　　基于Δ17O約束的計算進一步發現，霧霾期間非均相硫酸鹽的產生途徑中，過氧化氫(H22)的氧化大約貢獻了5-13%，臭氧的氧化大約貢獻了21-22%，其余則來自于零-Δ17O反應，如四價硫被NO2氧化（S(IV) + NO2）或氧氣氧化（S(IV) + O2），平均貢獻在66 %至73 %之間（圖2）。NO2或氧氣的氧化依賴于氣溶膠pH值即酸堿度，由于穩態和亞穩態狀態假設下模型計算得到的氣溶膠pH差別很大，因此，S(IV) + NO22反應的相對重要性不同。在穩態假設下， S(IV) + NO2反應是主導的非均相反應，而當高酸性氣溶膠存在時，S(IV) + O2反應可能成為主導反應。氣溶膠的酸堿度是觸發不同非均相化學反應的關鍵。該研究為定量揭示霧霾硫酸鹽生成途徑提供了新的方法，為模型預測提供了新的約束條件，并為控制霧霾硫酸鹽的形成提供了新的視角。