地球環境研究所針對化石源水汽同位素開展精細化研究

水汽是地球大氣的重要組分之一，與地球水循環過程密切相關，其來源主要包括海洋蒸發和地表蒸發、蒸騰等自然過程；然而，化石燃料（如：煤，石油，天然氣等）在燃燒過程中除了排放CO2外，與之相伴的也會產生大量的水汽。據估算，每年人類活動產生的化石源水汽占全球大氣水庫的比例大約為0.17% (大氣中的固定水汽含量約為12.7-13.0 103 km3) ，然而，在人類聚集的城市地區，該比例可以達到10%以上。大氣水汽含量的升高會給城市帶來一系列的負面影響，如：大氣污染加劇、太陽輻射減弱、極端天氣事件增多、溫室效應增強等。因此，急需準確定量化石源水汽在大氣水汽中的占比，才能有效評估人類活動對于大氣水汽的影響。目前，僅僅通過觀測大氣絕度濕度、相對濕度、水汽壓或者露點溫度的變化并不能準確區分自然源水汽和人為源水汽的貢獻。然而，自然源水汽和化石源水汽在同位素組成上的巨大差異為我們提供了可能性（圖1）。

中國科學院地球環境研究所“極端氣候事件及影響”團隊（EXCEIS）通過在線觀測技術，測定了煤、天然氣、液化氣燃燒過程產生的水汽和汽車尾氣排放的水汽δ18Ov、δ2Hv及d-excessv的組成特征（圖2）。研究結果表明，化石燃料燃燒過程中由于大氣O2（23.9‰）的參與，因此，產生的水汽δ18Ov繼承了大氣O2同位素組成，從而造成化石源水汽δ18Ov顯著偏正和d-excessv顯著偏負的特征（圖3）。不同燃料燃燒產生的δ18Ov之間的差異和燃料的化學組成及空氣中O2參與燃燒時，18O原子在CO2和H2O之間的分配比例不同有關。大體上，我們在線觀測的化石源水汽同位素組成變化范圍和理論值相接近。我們研究結果能夠更加精準的限定局地排放的化石源水汽同位素特征，為今后示蹤城市大氣水汽來源，評估人為源水汽對于大氣污染貢獻及對局地水循環影響等提供了重要的研究手段。

該研究近日發表于環境領域期刊Environmental Science & Technology，邢萌副研究員為第一作者，劉衛國研究員為通訊作者。研究得到了國家自然科學基金項目（42177093）、中國科學院西部之光項目（XAB2020YN01）、國家重點研發計劃（2023YFF0804300）和黃土科學全國重點實驗室培育項目（SKLLQGPP2503）的資助。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c08595?ref=pdf

圖1 自然源水汽和化石源水汽d-excessv組成示意圖

圖2 汽車排放尾氣觀測現場及同位素組成測定結果

圖3 自然源和化石源水汽同位素組成理論值和測定值