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海洋氣溶膠是全球大氣氣溶膠的重要組成部分，也是當(dāng)前制約氣候模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)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(chǎn)生，后者是海洋排放的活性反應(yīng)氣體通過反應(yīng)成核(nucleation)和增長(zhǎng)(growth)過程產(chǎn)生。O’Dowd等2002年在Nature首次報(bào)道了“碘”氧化驅(qū)動(dòng)新粒子生成機(jī)制，該機(jī)制的成核效率最近被證實(shí)超過經(jīng)典的 “硫酸-氨”成核機(jī)制(He等, Science, 2021)，并可解釋海岸帶觀測(cè)到的大氣新粒子爆發(fā)增長(zhǎng)。然而，在大洋(open ocean)和極地等區(qū)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(zhǎng)為云凝結(jié)核等更大粒徑的粒子。海洋大氣新粒子增長(zhǎng)機(jī)制是近20年來國(guó)際大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)難題。
瞄準(zhǔn)該科學(xué)難題，中科院地球環(huán)境研究所黃汝錦研究員聯(lián)合德國(guó)、愛爾蘭、芬蘭、美國(guó)的科研人員，開展了外場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)分析和模型模擬綜合研究。從反應(yīng)機(jī)制的角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)海洋微生物排放的異戊二烯等含1-5個(gè)碳的揮發(fā)性有機(jī)物在大氣中氧化為醇和碳基化合物等中等氧化有機(jī)物后，可與成核后的碘氧粒子發(fā)生非均相氧化-還原反應(yīng)，生成水溶性/低揮發(fā)性有機(jī)酸，氧化生成的有機(jī)酸可進(jìn)一步與氨氣/有機(jī)胺發(fā)生酸堿反應(yīng)生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的鹽，促進(jìn)碘氧粒子成核后的快速增長(zhǎng)。與經(jīng)典的“凝結(jié)”增長(zhǎng)機(jī)制相比，該“非均相反應(yīng)”增長(zhǎng)機(jī)制使海洋大氣新粒子增長(zhǎng)所需的氣態(tài)有機(jī)物濃度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，促使海洋大氣新粒子的增長(zhǎng)速率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。該機(jī)制可很好地解釋大洋和極地碘和揮發(fā)性有機(jī)物濃度較低的環(huán)境下海洋大氣新粒子生成現(xiàn)象。該研究還揭示了碘氧粒子在氧化有機(jī)物的同時(shí)被還原為碘分子，碘分子從顆粒相釋放出來重新進(jìn)入氣相后，開始新一輪的碘氧化成核過程，從而實(shí)現(xiàn)碘在氣相和顆粒相的循環(huán)，提出以“碘”為中心的多相反應(yīng)海洋大氣新粒子生成機(jī)制新認(rèn)識(shí)。
圖 1. 碘–有機(jī)物多相反應(yīng)快速促進(jìn)海洋大氣新粒子生成。
上述研究成果以“碘-有機(jī)物非均相化學(xué)快速促進(jìn)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(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)。中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃汝錦研究員為第一和通訊作者。這項(xiàng)工作是繼他們上一篇發(fā)表在Nature Geoscience上提出海洋飛沫氣溶膠對(duì)海洋大氣云凝結(jié)核的重要貢獻(xiàn)之后，又一項(xiàng)在海洋大氣新粒子生成機(jī)制方面的突破性進(jìn)展。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、愛爾蘭科學(xué)基金會(huì)和歐盟的經(jīng)費(fèi)支持，由來自中科院地球環(huán)境研究所、德國(guó)美茵茨大學(xué)、愛爾蘭國(guó)立高威大學(xué)、芬蘭氣象研究所、美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)、加州理工學(xué)院等單位組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)合作完成。
論文原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.2201729119
