极地大气中海盐单颗粒的理化特性研究
  • 【摘要】

    全球气候变化和大气污染已成为人类面临的严峻问题之一,极地环境变化是全球气候变化的重要“天然指示器”,同时,极地地区也是研究大气颗粒物理化特性的“天然实验室”。海盐颗粒物是南北两极大气中最重要的自然气溶胶,决定着极地的辐射平衡。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,选择全球背景点北极Svalbard群岛中国北极黄河站进行大气单颗粒采集,于201... 展开>>全球气候变化和大气污染已成为人类面临的严峻问题之一,极地环境变化是全球气候变化的重要“天然指示器”,同时,极地地区也是研究大气颗粒物理化特性的“天然实验室”。海盐颗粒物是南北两极大气中最重要的自然气溶胶,决定着极地的辐射平衡。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,选择全球背景点北极Svalbard群岛中国北极黄河站进行大气单颗粒采集,于2012年11月4日至2013年4月6日中国到南极科学考察走航沿途对大气颗粒物进行采集,利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、原子力显微镜(AFM)、纳米级二次离子探针质谱仪(nanoSIMS)和单颗粒吸湿系统着重分析海盐颗粒物的形貌、成分、粒径、混合状态和吸湿增长等理化性质,并结合HYSPLIT模型模拟其后推气流轨迹,分析海盐颗粒物的来源及传输途径。
      利用单颗粒分析方法对北极海盐气溶胶单颗粒进行分析。本研究将海盐颗粒物划分为三类:新鲜的海盐颗粒物、部分老化的海盐颗粒物和完全老化的海盐颗粒物。新鲜的海盐颗粒物的主体是立方晶体的NaCl,晶体外围包裹少量的MgCl2和CaSO4。部分老化的海盐颗粒物由不规则形状的NaCl晶体及其外围包裹着NaNO3、Na2SO4、 Mg(NO3)2和MgSO4的混合物组成。通过比较以上两类海盐颗粒物表面化学成分的变化表明新鲜的海盐颗粒物中亲水性极强的MgCl2能够使海盐颗粒物表面形成液相层并与酸性气体(如H2SO4/SO2和HNO3/NOx)发生非均相反应。完全老化的海盐颗粒物不再含有NaCl核,主要成分由NaNO3和Na2SO4组成,NaCl中的Cl被完全损耗,因此颗粒物形貌由方形变为圆形。北极地区三个时段(2012年8月、2013年4-5月和2013年9月)采集的大气单颗粒样品中,新鲜及部分老化的海盐颗粒物呈单峰分布,2012年8月采集样品中分析的新鲜及部分老化的海盐颗粒物最大峰值分别为0.68μm和1.30μm,2013年4-5月为1.10μm和1.15μm,2013年9月份为0.9μm和1.05μm,完全老化的海盐颗粒呈宽峰分布,范围分别为0.9~2.0μm、0.81~1.30μm及0.99~1.50μm,比较以上粒径分布结果表明随着颗粒物老化程度增加,粒径逐渐增大。
      本文着重研究了2012年8月3-23日采集的北极大气海盐单颗粒。利用HYSPLIT模型对海盐颗粒物进行了来源分析,后推气流轨迹表明气团主要来自两个方向:一是来自北极点附近的北冰洋区域,为方向A;二是来自北美大陆和格陵兰岛方向,为方向B。来自方向A的三类海盐颗粒物的数量比例分别为43.07%、44.53%和12.41%,而来自方向B其比例分别为18.72%、47.45%和33.83%。结果表明,来自方向B的气团带来了大量老化的海盐颗粒物。利用吸湿性实验系统对北极海盐单颗粒进行吸湿增长研究,三类海盐颗粒物的潮解点分别为69%、65%和60%,风化点分别为50%、47%和49%。利用扫描透射电子显微镜获得三类海盐颗粒物中Na、Mg、Ca、Cl、S、O、C和N的元素分布图,表明随着颗粒物老化,Cl元素含量下降,S、O、C和N元素含量增加。利用纳米级二次离子探针质谱仪获得12C-、16O-、12C14N-、14N16O2-、32S-、35Cl-和23Na16O-的离子强度分布图,结果发现老化海盐颗粒物中硝酸盐和有机物含量的增加,且有机物主要分布在老化颗粒物的表面。此外,透射电镜研究显示2012年8月20日收集的单颗粒样品中矿物颗粒数量明显增加,并且都为细小的新鲜的矿物颗粒,这很可能是来自于北极内部的沙尘事件。通过后推气流轨迹分析显示当天的气团主要来自格陵兰岛北部,导致沙尘事件出现。
      本研究还对中国到南极科学考察船雪龙号沿途收集的大气气溶胶单颗粒样品进行了分析。研究发现4种类型的颗粒物中,海盐颗粒物的数量占主导,在印度洋海域比值最高达100%,而在南极大陆比值最小,为51.38%。矿物颗粒在受地壳源影响较大的南极海岸和澳大利亚西部海岸含量最高,分别为18.33%和16.28%。富硫颗粒在南极大陆含量最高,为20.31%。
      本文全面地针对北极地区及南极科学考察走航过程中采集的大气海盐单颗粒进行了详细的分析,我们发现了背景区域大气海盐颗粒物不仅和酸性气体(如H2SO4/SO2和HNO3/NOx)发生非均相反应,而且首次证明了海盐颗粒物还和有机酸性气体发生非均相化学反应,该结果为全球大气中海盐颗粒物的非均相化学模式及气候效应提供了理论依据。 收起<<

  • 【作者】

    迟建伟 

  • 【学科专业】

    分析化学

  • 【授予学位】

    硕士

  • 【授予单位】

    山东大学

  • 【导师姓名】

    李卫军

  • 【学位年度】

    2016

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    极地大气  海盐单颗粒  理化特性  非均相反应