極地大氣中海鹽單顆粒的理化特性研究.pdf

1、全球氣候變化和大氣污染已成為人類面臨的嚴(yán)峻問題之一，極地環(huán)境變化是全球氣候變化的重要“天然指示器”，同時(shí)，極地地區(qū)也是研究大氣顆粒物理化特性的“天然實(shí)驗(yàn)室”。海鹽顆粒物是南北兩極大氣中最重要的自然氣溶膠，決定著極地的輻射平衡。本研究于2012年8月3-23日、2013年4月28日-5月15日和2013年9月3-22日，選擇全球背景點(diǎn)北極Svalbard群島中國北極黃河站進(jìn)行大氣單顆粒采集，于2012年11月4日至2013年4月6日中國到

2、南極科學(xué)考察走航沿途對大氣顆粒物進(jìn)行采集，利用透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、原子力顯微鏡(AFM)、納米級二次離子探針質(zhì)譜儀(nanoSIMS)和單顆粒吸濕系統(tǒng)著重分析海鹽顆粒物的形貌、成分、粒徑、混合狀態(tài)和吸濕增長等理化性質(zhì)，并結(jié)合HYSPLIT模型模擬其后推氣流軌跡，分析海鹽顆粒物的來源及傳輸途徑。
　　利用單顆粒分析方法對北極海鹽氣溶膠單顆粒進(jìn)行分析。本研究將海鹽顆粒物劃

3、分為三類:新鮮的海鹽顆粒物、部分老化的海鹽顆粒物和完全老化的海鹽顆粒物。新鮮的海鹽顆粒物的主體是立方晶體的NaCl，晶體外圍包裹少量的MgCl2和CaSO4。部分老化的海鹽顆粒物由不規(guī)則形狀的NaCl晶體及其外圍包裹著NaNO3、Na2SO4、 Mg(NO3)2和MgSO4的混合物組成。通過比較以上兩類海鹽顆粒物表面化學(xué)成分的變化表明新鮮的海鹽顆粒物中親水性極強(qiáng)的MgCl2能夠使海鹽顆粒物表面形成液相層并與酸性氣體(如H2SO4/SO2

4、和HNO3/NOx)發(fā)生非均相反應(yīng)。完全老化的海鹽顆粒物不再含有NaCl核，主要成分由NaNO3和Na2SO4組成，NaCl中的Cl被完全損耗，因此顆粒物形貌由方形變?yōu)閳A形。北極地區(qū)三個時(shí)段（2012年8月、2013年4-5月和2013年9月）采集的大氣單顆粒樣品中，新鮮及部分老化的海鹽顆粒物呈單峰分布，2012年8月采集樣品中分析的新鮮及部分老化的海鹽顆粒物最大峰值分別為0.68μm和1.30μm，2013年4-5月為1.10μm和1

5、.15μm，2013年9月份為0.9μm和1.05μm，完全老化的海鹽顆粒呈寬峰分布，范圍分別為0.9～2.0μm、0.81～1.30μm及0.99～1.50μm，比較以上粒徑分布結(jié)果表明隨著顆粒物老化程度增加，粒徑逐漸增大。
　　本文著重研究了2012年8月3-23日采集的北極大氣海鹽單顆粒。利用HYSPLIT模型對海鹽顆粒物進(jìn)行了來源分析，后推氣流軌跡表明氣團(tuán)主要來自兩個方向:一是來自北極點(diǎn)附近的北冰洋區(qū)域，為方向A;二是來自

6、北美大陸和格陵蘭島方向，為方向B。來自方向A的三類海鹽顆粒物的數(shù)量比例分別為43.07％、44.53％和12.41％，而來自方向B其比例分別為18.72％、47.45％和33.83％。結(jié)果表明，來自方向B的氣團(tuán)帶來了大量老化的海鹽顆粒物。利用吸濕性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對北極海鹽單顆粒進(jìn)行吸濕增長研究，三類海鹽顆粒物的潮解點(diǎn)分別為69％、65％和60％，風(fēng)化點(diǎn)分別為50％、47％和49％。利用掃描透射電子顯微鏡獲得三類海鹽顆粒物中Na、Mg、Ca、C

7、l、S、O、C和N的元素分布圖，表明隨著顆粒物老化，Cl元素含量下降，S、O、C和N元素含量增加。利用納米級二次離子探針質(zhì)譜儀獲得12C-、16O-、12C14N-、14N16O2-、32S-、35Cl-和23Na16O-的離子強(qiáng)度分布圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)老化海鹽顆粒物中硝酸鹽和有機(jī)物含量的增加，且有機(jī)物主要分布在老化顆粒物的表面。此外，透射電鏡研究顯示2012年8月20日收集的單顆粒樣品中礦物顆粒數(shù)量明顯增加，并且都為細(xì)小的新鮮的礦物顆粒，這

8、很可能是來自于北極內(nèi)部的沙塵事件。通過后推氣流軌跡分析顯示當(dāng)天的氣團(tuán)主要來自格陵蘭島北部，導(dǎo)致沙塵事件出現(xiàn)。
　　本研究還對中國到南極科學(xué)考察船雪龍?zhí)栄赝臼占拇髿鈿馊苣z單顆粒樣品進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)4種類型的顆粒物中，海鹽顆粒物的數(shù)量占主導(dǎo)，在印度洋海域比值最高達(dá)100％，而在南極大陸比值最小，為51.38％。礦物顆粒在受地殼源影響較大的南極海岸和澳大利亞西部海岸含量最高，分別為18.33％和16.28％。富硫顆粒在南極大陸含量