海洋大氣新粒子生成機制研究獲進展

海洋氣溶膠是全球大氣氣溶膠的重要組成部分，也是當前制約氣候模型預測準確性的主要因素之一。海洋大氣氣溶膠主要通過飛沫(sea spray aerosol, SSA)和新粒子生成(new particle formation, NPF)兩種途徑產生，后者是海洋排放的活性反應氣體通過反應成核(nucleation)和增長(growth)過程產生。O’Dowd等2002年在Nature首次報道了“碘”氧化驅動新粒子生成機制，該機制的成核效率最近被證實超過經典的 “硫酸-氨”成核機制(He等, Science, 2021)，并可解釋海岸帶觀測到的大氣新粒子爆發增長。然而，在大洋(open ocean)和極地等區域大氣碘的濃度較低，不足以使成核后的碘氧粒子快速生長為云凝結核等更大粒徑的粒子。海洋大氣新粒子增長機制是近20年來國際大氣科學研究領域的一個難題。

瞄準該科學難題，中科院地球環境研究所黃汝錦研究員聯合德國、愛爾蘭、芬蘭、美國的科研人員，開展了外場觀測、實驗分析和模型模擬綜合研究。從反應機制的角度出發，發現海洋微生物排放的異戊二烯等含1-5個碳的揮發性有機物在大氣中氧化為醇和碳基化合物等中等氧化有機物后，可與成核后的碘氧粒子發生非均相氧化-還原反應，生成水溶性/低揮發性有機酸，氧化生成的有機酸可進一步與氨氣/有機胺發生酸堿反應生成化學性質穩定的鹽，促進碘氧粒子成核后的快速增長。與經典的“凝結”增長機制相比，該“非均相反應”增長機制使海洋大氣新粒子增長所需的氣態有機物濃度降低了一個數量級，促使海洋大氣新粒子的增長速率提高了一個數量級。該機制可很好地解釋大洋和極地碘和揮發性有機物濃度較低的環境下海洋大氣新粒子生成現象。該研究還揭示了碘氧粒子在氧化有機物的同時被還原為碘分子，碘分子從顆粒相釋放出來重新進入氣相后，開始新一輪的碘氧化成核過程，從而實現碘在氣相和顆粒相的循環，提出以“碘”為中心的多相反應海洋大氣新粒子生成機制新認識。

圖 1. 碘–有機物多相反應快速促進海洋大氣新粒子生成。

上述研究成果以“碘-有機物非均相化學快速促進海洋大氣新粒子生成”(Heterogeneous iodine-organic chemistry fast-tracks marine new particle formation)為題，于2022年8月2日在線發表于《美國國家科學院院刊》(PNAS)。中國科學院地球環境研究所黃汝錦研究員為第一和通訊作者。這項工作是繼他們上一篇發表在Nature Geoscience上提出海洋飛沫氣溶膠對海洋大氣云凝結核的重要貢獻之后，又一項在海洋大氣新粒子生成機制方面的突破性進展。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、愛爾蘭科學基金會和歐盟的經費支持，由來自中科院地球環境研究所、德國美茵茨大學、愛爾蘭國立高威大學、芬蘭氣象研究所、美國德州農工大學、加州理工學院等單位組成的國際團隊合作完成。