德国马普化学所苏杭、程雅芳团队Acc. Chem. Res.：新多相化学过程影响气溶胶的空气污染和气候效应

第一作者：苏杭

通讯作者：程雅芳

通讯单位：[德] 马克思-普朗克化学研究所

论文DOI：

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.0c00246

 成果简介 

近日，德国马克斯-普朗克化学研究所的苏杭教授、程雅芳教授等在Accounts of Chemical Research（影响因子20）上发表了题为“New Multiphase Chemical Processes Influencing Atmospheric Aerosols, Air Quality, and Climate in the Anthropocene”的研究论文，讨论了雾霾条件下硫酸盐，硝酸盐和二次有机气溶胶生成相关的研究进展，特别是最新研究中所发现的大气多相反应中的气溶胶水含量， pH值，相态和纳米效应的作用。指出了实验室模拟，实际大气观测和模型模拟等当前主要技术手段的不足，提出了针对性的改进方案，并明确了“多种技术相结合的集成研究方法”在推进未来研究中的核心作用。

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在当前所处的“人类世”中，人类对地球的影响正在全球范围内迅速增加。高浓度大气气溶胶和细颗粒物（PM_2.5）是人类影响地球环境、人类健康和气候的代表性途径之一。一方面，气溶胶引起的空气污染是全球主要的健康风险之一；另一方面，气溶胶还能通过与云和太阳辐射的相互作用影响气候。目前评估的气溶胶总有效辐射强迫为负，可补偿约一半的二氧化碳的正辐射强迫，但该评估具有较大的不确定性。

气溶胶在大气中主要以液滴，半固体和固体颗粒的形式存在，气溶胶的表面和体相可以发生多相化学反应。这些多相化学反应可以影响气溶胶的生成和转化，进而影响其环境效应。然而，由于大气多相化学过程自身的复杂性（涉及多相介质，传质过程和多种反应的耦合）, 目前对大气多相化学过程的认识尚存在很大不足。

近几年高浓度PM_2.5在我国很多地区引发了严重的雾霾事件，这使得多相化学得到大气科学和环境科学界的广泛关注。最新的模型模拟结果显示，纯气相反应模拟的PM_2.5在雾霾期间远低于观测值，不能解释雾霾事件中高浓度PM_2.5的生成，说明目前对气溶胶生成机理的认识存在明显不足。而这些雾霾事件的发生往往伴随着高浓度的气溶胶颗粒和很高的相对湿度，这些条件特别有利于多相化学反应的进行，并使其成为气相反应之外导致雾霾期间高PM_2.5浓度的关键因素。在本文中，我们回顾了团队在多相化学方向上的近期进展，总结了当前研究的不足和挑战，展望了其在大气气溶胶二次生成方向的研究前景，并提出了未来有望突破的研究方向和方法。本文集中于以下内容：污染条件下导致气溶胶形成的关键化学反应途径是什么，多相化学与纯气相化学的相对重要性怎样，如何通过对化学机制的理解指导制定更加有效可靠的空气污染控制对策。具体说来，我们讨论了雾霾条件下硫酸盐，硝酸盐和二次有机气溶胶生成相关的研究进展，特别是最新研究中所发现的大气多相反应中的气溶胶水含量， pH值，相态和纳米效应的特殊作用。总之，越来越多的证据表明雾霾中高浓度PM_2.5的形成与多相化学密切相关。与能够自我缓冲的纯气相光化学反应相比，多相反应与雾霾生成间存在正反馈机制，即雾霾中的高PM_2.5能促进多相反应进行，导致更多二次PM_2.5的生成，进而导致一系列重度空气污染事件。最后，我们分析了包括实验室模拟，实际大气观测和模型模拟等当前主要研究技术的不足，给出了针对性的改进方案，明确了“多种技术相结合的集成研究方法”在推进未来研究中的核心作用。

 图文导读 

图1. 不同情景下SO₂氧化生成硫酸盐的液相反应路径。（a）云水情景及（b）北京雾霾情景下的反应速率随pH的变化情况。浅蓝色阴影部分表示清洁至中度污染下的云水典型pH范围，浅灰色阴影表示北京重灰霾时气溶胶结合水中的典型pH范围。不同实线表示SO₂通过不同液相氧化路径生成硫酸盐的速率，包括被过氧化氢（H₂O₂），臭氧（O₃），过渡金属催化下的氧气（TMIs），及二氧化氮（NO₂）氧化的反应。黑色虚线表示总硫酸盐液相生成速率。本图为Cheng et al.（2016,Sci. Adv.）中图的授权修改版。

图2.（a）分子动力学模拟得出的NaCl溶液的表面张力随浓度的变化曲线，及（b）离子强度（I）对硫酸盐液相生成速率的影响。增强系数指模拟/测量出的硫酸盐生成速率系数在非理想条件下与理想条件下的比值。实线表示仅考虑离子强度对反应常数（k）的影响时的情景；虚线表示考虑了离子强度对k及SO₂和H₂O₂有效亨利系数影响时的情景；方块点表示测量值。本图为Wang et al.（2018, Atmos. Chem. Phys.）及Cheng et al.（2016, Sci. Adv.）中图的授权修改版。

图3.（a）ROI-T方案及之前基于实验室结果提出的参数化方案与苯并[a]芘（BaP）浓度的全球观测比较。（b）温度、湿度对BaP大气传播影响的概念图。本图为Muet al.（2018,Sci. Adv.）中图的授权修改版。

图4.（a）硫酸铵（AS）-水系统的三维液-固平衡相图，维度坐标包括颗粒物粒径的倒数（1/D_s），温度（T）及硫酸铵质量分数（x_s）。（b）临界粒径随宏观相变温度的变化。本图为Cheng,Y et al.（2015,Nat. Commun.）中图的授权修改版。

 主要作者介绍 

第一作者：苏杭，博士，马克斯普朗克化学研究所终身首席研究员，气溶胶-云-生物圈研究组组长，欧洲地球科学学会杰出青年奖获得者，Atmospheric Chemistry and Physics, Atmospheric Measurement and Techniques期刊副主编，《大气科学进展》期刊编委等。主要从事大气化学，大气-生物圈相互作用，气溶胶-云相互作用等机制的研究。发表SCI收录论文100余篇（5篇Science，2篇Science Advances, 2篇PNAS，1篇Nature Communications等）。联系邮箱：[e-mail]。

通讯作者：程雅芳，博士，德国马克斯普朗克化学所首席研究员，“Minerva”独立研究组组长（Head of Minerva Independent Research Group），任Atmospheric Chemistry and Physics期刊副主编，及“德国马克斯普朗克协会·中国科学院圆桌会议（ERTC）”指导委员会委员。申请人的研究主要集中在“大气污染成因及其气候效应”方向，在基础理论和应用领域均取得了突破性成果，研究成果入选“2011年中国科学家具有影响力的部分工作（19项之一）”（中科院《2012科学发展报告》），获选德国马克斯普朗克学会“杰出女性科学家”，德国气溶胶协会·欧洲气溶胶大会Schmauss Award。发表SCI收录论文100余篇，包括多篇Science，PNAS及Science和Nature 子刊；出版专著/教材1部。联系邮箱：[e-mail]

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.0c00246

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