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，能顯著增強其吸濕性與反應(yīng)活性，使之成為液相二次有機氣溶膠（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了二次有機酸的形成，但仍需更多觀測資料證實。

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，中國科學院地球環(huán)境研究所氣溶膠理化過程及環(huán)境效應(yīng)團隊在華山開展系統(tǒng)觀測，并在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，夏季白天的谷風可將地表的污染物輸送至山頂影響自由對流層的化學組成，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散，使高海拔地區(qū)氣溶膠主要來源于遠距離輸送。本研究進一步聚焦于冬季觀測期間的一次強沙塵事件，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反應(yīng)（圖1）。高海拔站點大氣顆粒物主要源于遠距離輸送，受沙塵影響尤為顯著，具體表現(xiàn)為：氣溶膠老化指標增強（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和區(qū)域氣候效應(yīng)的認知。

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基金、陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃、黃土科學全國重點實驗室開放基金及中國科學院青年創(chuàng)新促進會等項目的資助。

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