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(guò)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氣體通過(guò)反應成核(nucleation)和增長(cháng)(growth)過(guò)程產(chǎn)生。O’Dowd等2002年在Nature首次報道了“碘”氧化驅動(dòng)新粒子生成機制，該機制的成核效率最近被證實(shí)超過(guò)經(jīng)典的 “硫酸-氨”成核機制(He等, Science, 2021)，并可解釋海岸帶觀(guān)測到的大氣新粒子爆發(fā)增長(cháng)。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(cháng)為云凝結核等更大粒徑的粒子。海洋大氣新粒子增長(cháng)機制是近20年來(lái)國際大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)難題。
瞄準該科學(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、愛(ài)爾蘭、芬蘭、美國的科研人員，開(kāi)展了外場(chǎng)觀(guān)測、實(shí)驗分析和模型模擬綜合研究。從反應機制的角度出發(fā)，發(fā)現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(fā)生非均相氧化-還原反應，生成水溶性/低揮發(fā)性有機酸，氧化生成的有機酸可進(jìn)一步與氨氣/有機胺發(fā)生酸堿反應生成化學(xué)性質(zhì)穩定的鹽，促進(jìn)碘氧粒子成核后的快速增長(cháng)。與經(jīng)典的“凝結”增長(cháng)機制相比，該“非均相反應”增長(cháng)機制使海洋大氣新粒子增長(cháng)所需的氣態(tài)有機物濃度降低了一個(gè)數量級，促使海洋大氣新粒子的增長(cháng)速率提高了一個(gè)數量級。該機制可很好地解釋大洋和極地碘和揮發(fā)性有機物濃度較低的環(huán)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(shí)被還原為碘分子，碘分子從顆粒相釋放出來(lái)重新進(jìn)入氣相后，開(kāi)始新一輪的碘氧化成核過(guò)程，從而實(shí)現碘在氣相和顆粒相的循環(huán)，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(jìn)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(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(xiàn)發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。中國科學(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(jìn)展。該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、愛(ài)爾蘭科學(xué)基金會(huì )和歐盟的經(jīng)費支持，由來(lái)自中科院地球環(huán)境研究所、德國美茵茨大學(xué)、愛(ài)爾蘭國立高威大學(xué)、芬蘭氣象研究所、美國德州農工大學(xué)、加州理工學(xué)院等單位組成的國際團隊合作完成。
