中國(guó)科大應(yīng)用三氧同位素定量揭示北京霧霾期間

發(fā)布時(shí)間：2019-12-05 07:20 瀏覽次數(shù)：1086

　　導(dǎo)讀

　　近日，中國(guó)科大地學(xué)院謝周清教授帶領(lǐng)的霧霾關(guān)鍵污染物形成的大氣化學(xué)機(jī)制攻關(guān)團(tuán)隊(duì)取得重要進(jìn)展。研究成果以“Isotopic constraints on heterogeneous sulfate production in Beijing haze”為題發(fā)表在國(guó)際大氣環(huán)境權(quán)威期刊《Atmospheric Chemistry and Physics》上。該項(xiàng)研究首次通過17O同位素的非質(zhì)量分餾（Δ17O）定量揭示了北京APEC前后霧霾硫酸鹽的形成機(jī)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(xiàn)

　　眾所周知我國(guó)京津冀地區(qū)秋冬季面臨著嚴(yán)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(jī)制對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和防控霧霾非常關(guān)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(yīng)。由于不同途徑的氧化劑不同，形成的硫酸鹽中過量17O的數(shù)值不同，這種差異與氧同位素的質(zhì)量無關(guān)，被稱為非質(zhì)量分餾（Δ17O）。比如，臭氧(O3)的液相氧化產(chǎn)生的硫酸鹽Δ17O高達(dá)6.5‰，過氧化氫(H22)氧化產(chǎn)生的為0.7‰，氫氧自由基（OH）氧化產(chǎn)生的則為0‰.，基于以上認(rèn)識(shí)，謝周清團(tuán)隊(duì)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(xué)反應(yīng)的路徑。

　　在2014年10月至2015年1月APEC前后，研究團(tuán)隊(duì)在北京雁棲湖設(shè)置了大氣化學(xué)觀測(cè)和懸浮顆粒物采樣點(diǎn)。通過分析觀測(cè)期間的5次霧霾事件，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度的12小時(shí)平均值最高達(dá)到323微克每立方米，硫酸鹽的含量最高占到四分之一?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)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(fā)生的霧霾，由于云水含量較高，來自云中液相反應(yīng)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(yīng)貢獻(xiàn)了42-54%（圖1）。

　　基于Δ17O約束的計(jì)算進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，霧霾期間非均相硫酸鹽的產(chǎn)生途徑中，過氧化氫(H22)的氧化大約貢獻(xiàn)了5-13%，臭氧的氧化大約貢獻(xiàn)了21-22%，其余則來自于零-Δ17O反應(yīng)，如四價(jià)硫被NO2氧化（S(IV) + NO2）或氧氣氧化（S(IV) + O2），平均貢獻(xiàn)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(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)假設(shè)下模型計(jì)算得到的氣溶膠pH差別很大，因此，S(IV) + NO22反應(yīng)的相對(duì)重要性不同。在穩(wěn)態(tài)假設(shè)下， S(IV) + NO2反應(yīng)是主導(dǎo)的非均相反應(yīng)，而當(dāng)高酸性氣溶膠存在時(shí)，S(IV) + O2反應(yīng)可能成為主導(dǎo)反應(yīng)。氣溶膠的酸堿度是觸發(fā)不同非均相化學(xué)反應(yīng)的關(guān)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(yù)測(cè)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。