典型城市和乡村大气黑碳气溶胶的质量吸收截面和吸光增强效应

典型城市和乡村大气黑碳气溶胶的质量吸收截面和吸光增强效

应

碳质气溶胶是环境和气候变化的驱动因子,其中元素碳(EC),或者称之为黑

碳(BC),具有吸光吸热性质,是一种能够造成全球温室效应的空气污染物。BC有

着积极的辐射强迫,其热辐射强迫被认为仅次于CO2,这使得黑碳减排成为一种

可以在短期内缓解全球升温的有效途径,但黑碳的排放、浓度水平、来源和光学

特征等问题尚无明确的科学定论。

大气中,黑碳与有机碳(OC)、硫酸盐等非吸光气溶胶混合后,非吸光气溶胶可

能在BC表面形成涂层(外混或者内混),该包裹体会增加黑碳的质量吸收截面

(MAC),从而造成黑碳的吸光增强效应。国内外对环境黑碳气溶胶的MAC和吸光增

强效应的评估存在较大不确定性,研究尚不完善,进一步导致对黑碳的全球辐射

强迫以及气候效应的估算产生巨大的误差。

为了进一步准确测定黑碳的质量吸收截面(MAC)及吸光增强因子(EMAC),本

研究选择气溶胶污染严重的华北平原的两个站点(城市济南以及乡村禹城),收集

其气溶胶样品进行分析。建立了气溶胶滤膜溶解过滤(AFD)系统,两步去除滤膜样

品的黑碳包裹物,分离出样品中“纯黑碳”,并利用OCEC分析仪以及一系列野外

在线观测仪器,对黑碳光学性质(MAC和EMAC)进行着重研究。

在济南市和乡村站禹城,观测到黑碳的MAC分别为8.99±2.29 m2/g、9.58

±1.83 m2/g,通过与文献数据对比得知：不同地区、不同排放源,表现出不同的

MAC数值,并整体呈现出较大的变化范围(3.4～16.8 m2/g)。同时发现MAC与

OC/EC、NO3-/EC、NH4+/EC以及SO42-/EC均有一定的相关性,表明二次气溶胶对

黑碳的包裹作用造成了MAC的增强。

为此,本研究建立了AFD系统,用水和有机溶剂两步去除了90%的有机物质和

全部的水溶性离子,AFD处理方法使得EC的回收率为～99%。处理之后,观测到济

南市和乡村禹城样品中“纯黑碳”的MAC分别为4.78±1.72 m2/g、4.38±0.79

m2/g,均低于原始样品MAC,对比处理前后的MAC,即可计算包裹物所造成的黑碳

吸光增强因子(EMAC)济南市和乡村禹城观测到的EMAC分别为2.07±0.72和

2.25±0.55,由于白天光化学反应强烈,白天EMAC (济南2.22±0.74,禹城2.63

±0.36)均大于夜晚EMAC(济南1.76±0.60,禹城1.75±0.31)。

随气溶胶老化,EMAC呈现增长趋势,在乡村禹城,EMAc与SO42-/EC的关系指

示EMAC随气溶胶老化可达到3,是化石燃料不完全燃烧新鲜排放的EMAC的2倍。

这项结果表明,重污染地区的黑碳气溶胶的热辐射强迫可能高于以前的评估。

本论文通过对重污染地区黑碳的光学性质进行着重深入分析,进一步了解黑

碳的MAC和EMAC,为全球辐射强迫和气候效应模拟估算提供更详细的观测数据,

从而提高模式评估的精确度,对正确理解区域气候变化机制、改善区域空气质量

具有重要意义,为我国合理科学的控制大气污染提供强有力的依据。