中國科大地球和空間科學學院沈延安教授團隊與美國加州大學聖地亞哥分校林莽博士和中國科大 '大師講席' 教授, 美國科學院院士Mark H. Thiemens教授等合作, 在研究華南霧霾的物質來源和形成機制上取得重要進展. 研究人員首次將放射性硫同位素 (35S) 與穩定硫同位素 (32S/33S/34S/36S) 相結合, 以國家大氣環境背景值武夷山監測站為研究點, 探討華南地區氣溶膠物理傳輸途徑和化學形成機制. 研究揭示了霧霾硫酸鹽組分存在非常顯著的33S和36S同位素非質量分餾訊號, 結果表明33S的異常來源於平流層 (地表以上12-50公裡範圍) 的光化學反應, 而36S的異常組成主要是來源於化石燃料或生物質的燃燒過程. 相關研究成果線上發表在8月6日出版的國際權威綜合學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上.
近年來, 由於人類, 工業和自然活動的影響, 大氣汙染和持續的霧霾天氣嚴重影響了經濟發展和人類健康, 因此研究霧霾的來源和形成機制具有重要的理論和現實意義. 霧霾主要由硫酸鹽, 硝酸鹽, 有機碳和黑碳等組成, 因此對硫酸鹽的穩定硫同位素進行高精度的測定並探索其非質量分餾訊號成因, 對正確認識霧霾的物質來源和形成機制具有指導意義. 放射性硫同位素35S只在高層大氣生成, 半衰期為87天, 因此可以有效地對霧霾的來源及物理傳輸途徑進行示蹤.
研究人員通過系統地測定華南氣溶膠的硫酸鹽, 大氣中的二氧化硫以及代表性煤的穩定硫同位素, 發現了氣溶膠硫酸鹽33S和36S的異常組成與大氣中二氧化硫和煤的同位素組成不同. 放射性35S分析結果顯示, 33S的異常組成與氣團高度的變化密切相關, 這說明二次硫酸鹽形成過程中硫迴圈經曆了在平流層的光化學反應然後沉降到對流層和地表. 研究的另一個重要發現是36S異常與33S異常不存在相關性, 但36S異常與硫氧化率及多種生物質燃燒示蹤物 (左旋葡聚糖, 甘露聚糖, 鉀離子) 的丰度均呈現非常好的相關性. 研究結論是, 在東亞及北美地區廣泛觀測到的氣溶膠硫酸鹽36S異常主要是由化石燃料或生物質燃燒直接生成的一次硫酸鹽氣溶膠造成的. 該研究證明了硫同位素是追蹤不同成因霧霾硫酸鹽來源和形成機制的有力手段 (如圖) :
二氧化硫和不同成因的霧霾硫酸鹽硫同位素組成示意圖
沈延安介紹說, 研究結果為霧霾的物質來源, 傳輸途徑和形成機制提供了新的研究思路和有力的證據. 不同硫同位素異常的不同成因, 對探討早期生命演化以及地球早期25億年之前大氣的組成也具有重要的啟示. 該研究的主要目標是利用我們測試技術的優勢, 通過與國內外同行合作, 為霧霾治理政策的制定以及治理措施的實施做出貢獻.
該項研究工作得到基金委創新研究群體, 廣州市菁英計劃, 中科院前沿科學重點項目, 高等學校學科創新引智計劃等的資助.
