對(duì)于全球氣候的變幻莫測(cè)，人們常用“蝴蝶效應(yīng)”來(lái)描述——亞馬孫雨林的一只蝴蝶扇動(dòng)幾下翅膀，可能會(huì)在兩周后引發(fā)美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。那么，如果不是蝴蝶扇動(dòng)翅膀，而是亞馬孫雨林的空氣中多了一些大氣顆粒物，會(huì)給全球氣候帶來(lái)怎樣的影響呢?

近日，大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授謝宏彬團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作者在大氣顆粒物形成機(jī)制方面取得突破性進(jìn)展。根據(jù)這項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》的研究成果，大氣中顆粒物形成速率可能被嚴(yán)重低估——最高可達(dá)原有機(jī)制下顆粒物形成速率的1萬(wàn)倍。

在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，謝宏彬表示，大氣顆粒物對(duì)于全球氣候變化有顯著影響，該成果可以為防控大氣污染提供基礎(chǔ)性支持。

大氣顆粒物與氣候變化

提到大氣顆粒物，很多人首先想到的是大氣污染，尤其是霧霾對(duì)于人類健康的影響。但懸浮在空中的微小顆粒物所帶來(lái)的影響遠(yuǎn)不止于此。

謝宏彬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，從某個(gè)局部區(qū)域看，特別是將視角放在某個(gè)城市范圍內(nèi)，大氣顆粒物的濃度通常會(huì)比較高，但對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虿粫?huì)產(chǎn)生太大影響，更多是造成空氣污染，影響人類健康。對(duì)此，人們的研究重點(diǎn)通常局限于如何降低大氣顆粒物濃度。

然而，如果站在全球氣候變化的角度，某個(gè)地區(qū)的大氣顆粒物濃度變化產(chǎn)生的影響就要復(fù)雜得多。“因?yàn)榇髿忸w粒物的組成成分不同，對(duì)陽(yáng)光會(huì)產(chǎn)生吸收或反射的不同效果，導(dǎo)致局部地區(qū)大氣溫度升高或降低。”謝宏彬說(shuō)，這種變化顯然不是一只蝴蝶扇動(dòng)幾下翅膀所能比擬的。

但由于全球大氣系統(tǒng)的極端復(fù)雜性，人們對(duì)于這種影響的具體效果和程度均缺乏研究。“也就是說(shuō)，當(dāng)某地的大氣顆粒物濃度增加后，究竟會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)刈兊酶溥€是更熱，以及變冷或變熱的程度，目前人們還難以研究清楚。”謝宏彬說(shuō)。

研究清楚這些影響的一個(gè)前提是，對(duì)于大氣顆粒物的成因有清晰認(rèn)識(shí)，這成為目前防控大氣污染和研究氣候變化的一個(gè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵性內(nèi)容。

因此，正確揭示大氣顆粒物形成的前體物及相關(guān)機(jī)制，一直是大氣環(huán)境科學(xué)研究的難點(diǎn)和前沿科學(xué)問(wèn)題。

形成速率被低估1萬(wàn)倍

大氣顆粒物的來(lái)源主要有兩個(gè)渠道：一是燃燒垃圾、車輛尾氣排放等人為因素，直接向大氣釋放顆粒物;二是借助某種自然機(jī)制，將空氣中的氣態(tài)分子轉(zhuǎn)化為固態(tài)分子，最終形成顆粒物。相對(duì)而言，前者的產(chǎn)生機(jī)制和原理比較明確，后者則較為模糊。

“自然界中大氣顆粒物的形成過(guò)程類似于搭積木。”謝宏彬說(shuō)，首先需要有一個(gè)前體物形成核心，一些分子會(huì)黏附到前體物上，同時(shí)也有一些分子會(huì)從前體物上脫落。當(dāng)黏附的分子數(shù)量多于脫落的分子數(shù)量時(shí)，大氣顆粒物便形成了。

也就是說(shuō)，只有前體物具有足夠“黏性”，才容易“黏”住更多分子，最終形成大氣顆粒物。

通常人們認(rèn)為，大氣中硫酸與堿的反應(yīng)是形成前體物的主要方式。這是由于硫酸是大氣中廣泛存在的強(qiáng)酸性氣體，酸堿反應(yīng)也是一種最簡(jiǎn)單且常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)形式。更重要的是，這類反應(yīng)所形成的物質(zhì)擁有一個(gè)正負(fù)離子對(duì)，具有很強(qiáng)的“黏性”。“不管是硫酸與氨氣的反應(yīng)，還是城市中更常見(jiàn)的硫酸與二甲胺的反應(yīng)，都屬于這一類型。”謝宏彬說(shuō)。

然而，謝宏彬課題組卻發(fā)現(xiàn)了一種效率更高的反應(yīng)機(jī)制。

“我們發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的硫酸-氨氣二元機(jī)制，碘酸、亞碘酸、硫酸三類物質(zhì)相互反應(yīng)形成顆粒物的速率要高10至1萬(wàn)倍。此類機(jī)制也是海洋大氣顆粒物形成的主導(dǎo)性機(jī)制。”謝宏彬解釋說(shuō)，表面上看，這是3種酸類物質(zhì)在相互反應(yīng)并形成新離子，但挖掘其深層機(jī)制后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的本質(zhì)仍是酸堿反應(yīng)，只是其中的亞碘酸具有了“堿性”，并與硫酸發(fā)生了酸堿反應(yīng)，碘酸則起到了促進(jìn)硫酸負(fù)離子形成的作用。

“碘酸、亞碘酸和硫酸都可以形成很強(qiáng)的鹵鍵，從而使新生成物具有更強(qiáng)的‘黏性’，這使得以其為前體物的顆粒形成效率大大提升。在大氣濃度不變的條件下，效率提升就意味著顆粒物數(shù)量大大增加。”謝宏彬說(shuō)。

揭示真實(shí)大氣情況下的顆粒物

該新機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，顯然會(huì)加大人們對(duì)于大氣顆粒物形成機(jī)制的研究深度。而在大氣污染物的防治層面，該研究也有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

具體而言，在傳統(tǒng)認(rèn)知中，人們普遍將硫作為導(dǎo)致大氣污染及大氣顆粒物增多的重要因素。因此，多年來(lái)全球都在努力降低硫排放。2020年，國(guó)際海事組織海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)發(fā)布了被稱為“全球限硫令”的《2020年全球船用燃油限硫令實(shí)施方案》。

“然而問(wèn)題是，雖然硫的排放已經(jīng)呈下降態(tài)勢(shì)，但全球的碘排放正在增加。根據(jù)我們的研究，碘酸、亞碘酸等含碘物質(zhì)在大氣顆粒物的形成過(guò)程中發(fā)揮的作用被大大低估。”謝宏彬表示，這意味著要想減少大氣顆粒物的產(chǎn)生，單純“限硫”是不夠的。

值得一提的是，相比于硫排放大多源于人類行為，大氣中相當(dāng)一部分的碘排放來(lái)自自然。比如海洋中含有大量的碘，而隨著全球變暖、海冰逐漸變薄，海洋的碘排放量也會(huì)增加。

此外，由于大氣中所含成分的種類數(shù)以萬(wàn)計(jì)乃至十萬(wàn)計(jì)，其中能夠形成顆粒物的反應(yīng)機(jī)制遠(yuǎn)不止二元或三元。在研究中，謝宏彬課題組就曾在城市大氣中發(fā)現(xiàn)過(guò)由六元機(jī)制作用形成的顆粒物。

“我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某煽?jī)，但距離完全揭示真實(shí)大氣情況下的顆粒物形成過(guò)程還有一段路程，我們的研究還在路上。”謝宏彬說(shuō)。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adh2526