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飛沫(sea spray aerosol, SSA)和新粒子生成(new particle formation, NPF)兩種途徑產生，后者是海洋排放的活性反應氣體通過反應成核(nucleation)和增長(growth)過程產生。O’Dowd等2002年在Nature首次報道了“碘”氧化驅動新粒子生成機制，該機制的成核效率最近被證實超過經典的 “硫酸-氨”成核機制(He等, Science, 2021)，并可解釋海岸帶觀測到的大氣新粒子爆發(fā)增長。然而，在大洋(open ocean)和極地等區(qū)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為云凝結核等更大粒徑的粒子。海洋大氣新粒子增長機制是近20年來國際大氣科學研究領域的一個難題?！ ?/p>
瞄準該科學難題，中科院地球環(huán)境研究所黃汝錦研究員聯(lián)合德國、愛爾蘭、芬蘭、美國的科研人員，開展了外場觀測、實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一步與氨氣/有機胺發(fā)生酸堿反應生成化學性質穩(wěn)定的鹽，促進碘氧粒子成核后的快速增長。與經典的“凝結”增長機制相比，該“非均相反應”增長機制使海洋大氣新粒子增長所需的氣態(tài)有機物濃度降低了一個數量級，促使海洋大氣新粒子的增長速率提高了一個數量級。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被還原為碘分子，碘分子從顆粒相釋放出來重新進入氣相后，開始新一輪的碘氧化成核過程，從而實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-有機物非均相化學快速促進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日在線發(fā)表于《美國國家科學院院刊》(PNAS)。中國科學院地球環(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展。該工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院、愛爾蘭科學基金會和歐盟的經費支持，由來自中科院地球環(huán)境研究所、德國美茵茨大學、愛爾蘭國立高威大學、芬蘭氣象研究所、美國德州農工大學、加州理工學院等單位組成的國際團隊合作完成?！ ?/p>
