地球環(huán)境研究所提出大氣沙塵顆粒老化過程中二次有機(jī)氣溶膠非均相氧化生成的新證據(jù)

沙塵粒子作為全球陸源氣溶膠的主要組成部分，其新鮮粒子通常呈疏水性。然而在老化過程中，沙塵表面形成的硫酸鹽、硝酸鹽等二次組分，能顯著增強(qiáng)其吸濕性與反應(yīng)活性，使之成為液相二次有機(jī)氣溶膠（aqSOA）生成的重要介質(zhì)。以往外場觀測表明，沙塵事件期間超微米顆粒中常出現(xiàn)草酸鹽與硝酸鹽的共存現(xiàn)象，揭示沙塵表面可能參與并促進(jìn)了二次有機(jī)酸的形成，但仍需更多觀測資料證實(shí)。

為探究關(guān)中地區(qū)近地面人為污染對高山自由對流層大氣環(huán)境的影響，中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所氣溶膠理化過程及環(huán)境效應(yīng)團(tuán)隊(duì)在華山開展系統(tǒng)觀測，并在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，夏季白天的谷風(fēng)可將地表的污染物輸送至山頂影響自由對流層的化學(xué)組成，但冬季低溫導(dǎo)致的邊界層壓低顯著抑制了局地污染物向山頂?shù)臄U(kuò)散，使高海拔地區(qū)氣溶膠主要來源于遠(yuǎn)距離輸送。本研究進(jìn)一步聚焦于冬季觀測期間的一次強(qiáng)沙塵事件，分析沙塵傳輸過程中近地面和山頂大氣氣溶膠中二元羧酸類SOA的分子組成和穩(wěn)定碳同位素分布的垂直差異。結(jié)果表明：非沙塵期，草酸（C2）主要通過在細(xì)顆粒物中的液相氧化反應(yīng)生成；而在沙塵期間，其形成路徑則轉(zhuǎn)變?yōu)樵诖诸w粒物表面的非均相化學(xué)反應(yīng)（圖1）。高海拔站點(diǎn)大氣顆粒物主要源于遠(yuǎn)距離輸送，受沙塵影響尤為顯著，具體表現(xiàn)為：氣溶膠老化指標(biāo)增強(qiáng)（C2/C4比值升至7.75，圖2）、δ13C值富集（較非沙塵期增加+8.3‰，圖3）以及C2從細(xì)模態(tài)向粗模態(tài)的明顯遷移（圖4）。研究指出，粒徑分布的轉(zhuǎn)變與沙塵老化過程中形成的Ca(NO3)2吸濕性涂層密切相關(guān)，其催化的表面氧化反應(yīng)與金屬-草酸鹽絡(luò)合作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，共同導(dǎo)致δ13C顯著富集。本研究闡明了沙塵老化過程中C2生成路徑、粒徑分布及δ13C特征的改變，并揭示了其顯著的海拔差異性，為理解沙塵傳輸過程中二次有機(jī)氣溶膠的轉(zhuǎn)化提供了關(guān)鍵依據(jù)，并深化了對山地大氣化學(xué)和區(qū)域氣候效應(yīng)的認(rèn)知。

該研究結(jié)果發(fā)表于大氣環(huán)境領(lǐng)域著名期刊Atmospheric Chemistry and Physics，地球環(huán)境研究所特別研究助理沈敏霞為論文第一作者，李建軍研究員為通訊作者。研究受到國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃、黃土科學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的資助。

Shen, M., Qi, W., Liu, Y., Zhang, Y., Dai, W., Li, L., Guo, X., Cao, Y., Jiang, Y., Wang, Q., Li, S., Wang, Q., and Li, J.: Measurement report: Observational insights into the impact of dust transport on atmospheric dicarboxylic acids in ground region and free troposphere, Atmos. Chem. Phys., 25, 16147–16165, https://doi.org/10.5194/acp-25-16147-2025, 2025.

圖1 沙塵驅(qū)動草酸粒徑遷移與生成途徑示意圖

圖2 沙塵事件期間華山山腳與山頂 (a)二元羧酸及其相關(guān)化合物的分子組成(b)主要二元羧酸相對百分比及(c)C2/C4與C3/C4比值

圖3 華山山腳與山頂PM2.5中草酸的穩(wěn)定碳同位素（δ13C）組成

圖4?沙塵期與非沙塵期華山山腳和山頂二元羧酸的粒徑分布對比