黑碳气溶胶的形成机制及辐射影响

黑碳气溶胶的形成机制及辐射影响

0不定型碳质、黑碳气溶胶总气橡胶对地球表层系统的辐射收支有重要影响。由于大气气溶胶对气候效应、全球辐射平衡过程及大气污染等都有重要的影响,它正日益受到国际范围内相关研究人员的重视[2～9]。黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,主要是含碳物质(主要是化石能源)不完全燃烧产生的不定型碳质。黑碳气溶胶是一种污染物,它的存在将严重恶化大气环境、危害人类健康。1995年的IPCC报告就曾指出:黑碳气溶胶作为大气气溶胶中太阳辐射的吸收主体,它同其它气溶胶如硫酸盐气溶胶混合存在,可能会大大降低硫酸盐气溶胶单独存在时对气候的负辐射强迫作用。2000年的IPCC报告根据近年来黑碳气溶胶辐射强迫研究的模式模拟结果,指出黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫,同硫酸盐等气溶胶混合在一起,黑碳气溶胶会极大地减弱气溶胶的负辐射强迫,在地表反照率较大的北半球地区这种作用尤为明显。我国是以煤为主要一次能源的国家,在煤燃烧利用过程中排放出大量的SO2、NOx、CO2、粉尘等污染物,是大气污染的重要来源。过去,我国科技人员对SO2、NOx、常规粉尘等排放的控制和减排技术做了大量深入的研究,而对于黑碳气溶胶的研究相对薄弱,鉴于黑碳气溶胶对环境影响的重要性,本文对它做一些回顾。1黑碳气溶胶的起源和黑碳soot的生成机制1.1大量使用煤、石、水黑碳气溶胶的来源可分为自然源和人为源两种,自然源排放(如火山爆发、森林大火等)具有区域性和偶然性,而人为源排放却具有长期性和持续性。工业革命以来,人类为了满足自身发展的需要,大量使用煤、石油等化石燃料;化石燃料的使用和生物质燃烧等是大气中黑碳气溶胶的主要来源。1.2碳灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰灰的燃烧过程燃料燃烧时会排放出颗粒物质,它主要是可分为两类:第一类是含灰燃料燃烧时排放的灰分,由碳、碳氢化合物和含金属元素的灰分等组成;第二类是燃烧过程中产生的,其中主要是黑碳粒子。黑碳粒子在形成过程中会经历成核、表面增长和凝聚、集聚和氧化等一系列阶段,生成的黑碳粒子若不能在燃烧系统中完全氧化掉,则最后被排放入大气。2黑碳酸溶液的一般性质和危害2.1对大气的影响及小气溶胶的特性黑碳气溶胶具有较为特殊的物理化学性质。在化学成分上非常接近于石墨,在温度高于400℃时才可以发生氧化。黑碳气溶胶颗粒的粒径一般比较小,约在(0.01～1)μm,黑碳气溶胶粒子在大气物理、大气化学、大气光学过程中都具有重要的作用,例如它对地球的辐射平衡、气候、云的形成、降水、云量等有明显影响。黑碳气溶胶粒子的变化将改变大气浑浊度和能见度、改变云和地表的反照率。黑碳气溶胶具有多孔性,能够吸附其他的污染物,为许多物质的非均相转化提供活性载体并起催化作用。黑碳气溶胶在光学性质上与大气气溶胶的其他组分有很大的差别。黑碳气溶胶特殊的光学性质主要表现在折射指数和单次散射反照率上。黑碳气溶胶的折射指数与燃烧过程有很密切的关系(如燃料类型和燃烧时火焰的温度等),此外由于不同粒子中碳氢含量不一样,因而折射指数随之变化很大。黑碳气溶胶粒子越接近于纯碳(如石墨)则折射指数越大。同时,黑碳气溶胶对可见光和部分红外光谱有很强的吸收能力,因此它在大气中的各种化学和光化学反应、非均相反应以及气粒转化过程中起着重要作用。2.2利用黑碳气溶胶黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占比例较小,一般占百分之几到百分之十几,在大气中浓度一般也较低。但黑碳气溶胶是大气气溶胶中强光学吸收组分。以前,普遍认为气溶胶对于大气具有降温或冷却作用,因为气溶胶可以反射太阳辐射。实际上大气中气溶胶粒子不是白色而是灰色的,因为它包含黑碳粒子,这些深灰色的气溶胶粒子可以吸收太阳能,并且加热大气,研究发现黑碳气溶胶的加热效果有可能抵消掉硫酸盐气溶胶的冷却效果。在大气传输过程中,由于黑碳气溶胶具有吸附性,黑碳气溶胶的表面能够吸附其它污染物(如SO3、重金属物质等),吸附的污染物在黑碳气溶胶表面会生成直接凝结产物和二次反应产物,这些生成产物是重金属污染物的携带体。同时,黑碳气溶胶为许多污染物质的非均相转化以及气-粒转化过程提供活性载体并起到催化作用。黑碳气溶胶作为一种污染物,它对大气环境有着独特的影响,对可见光到部分红外线波段范围内的太阳辐射有较强的吸收性,并且可以参与非均相大气化学过程。黑碳气溶胶能够降低大气能见度;沉降附着在建筑物表面破坏建筑物外观;因此,它的存在将严重恶化大气环境。积聚模态的黑碳气溶胶还可以通过呼吸作用,夹带所吸附的多环芳烃类、重金属等有毒物质进入人体,从而引起呼吸系统哮喘以及心血管病、癌症等疾病的发生,危害人类健康。3黑碳气溶胶研究上个世纪50年代,由于著名的伦敦烟雾事件的发生,黑碳气溶胶逐渐引起了各国相关专家的注意。在此以后的一段时间内,有关黑碳气溶胶的研究主要集中在城市地区黑碳气溶胶浓度的实验观测方面。随着对黑碳气溶胶大尺度环境效应认识的深入,各国科研人员在黑碳气溶胶的城市及背景地区的浓度观测、光学性质、尺度分布、源汇、大气中停留时间等方面进行了广泛的研究;20世纪80年代初,黑碳气溶胶在气溶胶辐射强迫中所具有的特殊作用也逐渐被人们认识到,并作为气溶胶气候效应的一个重要方面展开了深入研究。近十几年,黑碳气溶胶的研究得到了广泛的重视和长足的发展。浓度测量从大气中的黑碳到海洋、湖泊沉积物和冰芯中的黑碳,并由海洋沉积物中的黑碳的浓度研究其参与碳循环。对气候效应的模式模拟研究也从温度到降水,并且还拓展到环境质最和人体健康等多方位的研究。3.1检测方法及测量方法黑碳气溶胶的测量有全球本底监测站和城市或乡村观测站两大类。黑碳气溶胶浓度的测量主要有光学、热学、光一声和遥感测量四种测量方法。光学方法就是利用黑碳吸收光辐射的原理,通过光学技术测量气溶胶的吸收系数,从光强的减弱程度来反演空气中黑碳的浓度。光学方法最大的问题是将光吸收信号转换为黑碳浓度时没有普遍适用的标准。主要是因为吸收特性与粒子的年龄、尺度分布等有关,此外,少数吸收光辐射的沙尘和土壤颗粒以及颗粒的后向散射也会引入到光衰减量中。3.1.2黑碳浓度的测量热学测量方法则先收集颗粒样品,在实验室加热到一定温度,通过测量释放出的碳来确定黑碳的浓度。这一分析技术在不同实验室运用中的微小差异,可以导致测得的黑碳浓度相差2倍或更多。另外,热学测量方法中存在有机物高温分解及其它气溶胶干扰带来的误差。3.1.3气溶胶粒子光-声学测量的原理是:在声波段,一个光脉冲频率重复照射在气溶胶粒子,其吸收光能的粒子会释放能量,加热空气,并使空气膨胀,继而产生声波,测量声波的振幅便可获得粒子的吸收量即粒子的浓度,这种方法主要的缺陷是分辨率低且设备费用昂贵。3.1.4复射系数法遥感测量方法主要是利用激光雷达和太阳光度计,其原理是:通过反演颗粒物的复折射指数的虚部,推导粒子的吸收系数,从而得到黑碳粒子的浓度,这个测量方法的缺点是反演的精度不够和设备要求高。3.2黑碳气溶胶直接辐射强迫研究国外对于黑碳气溶胶方面的研究开展得比较早,在监测和模式研究方面积累了大量研究成果。在观测研究方面,从气候变化研究角度出发,近多年里做了大量的观测实验,如平流层及对流层上部的黑碳气溶胶观测等;20世纪90年代以后多次连续进行的大规模国际性气溶胶观测实验,如在亚洲地区的ACE-Asia计划、在北美地区进行的RACE(RadiativeAerosolCharacterizationExperiment)、在大洋洲地区的ACE-Ⅰ(AerosolCharacterizationExperiment)、在欧洲和非洲地区的ACE-Ⅱ(AerosolCharacterizationExperiment)、在印度洋地区的INDOEX实验均将黑碳气溶胶作为重要的观测研究内容。在世界气象组织(WMO)全球大气监测网(GAW)的各监测站也普遍开展本底大气黑碳气溶胶连续观测,并取得了大量的观测研究成果,如:加拿大Alert全球本底大气监测站测量所得黑碳浓度约为70ng/m3,澳大利亚CapeGrim全球本底大气监测站测量所得黑碳浓度约为15ng/m3,爱尔兰MaceHead站的多数测量所黑碳浓度小于100ng/m3,南极海岸McMurdo站测得l995年l1月至1996年2月平均的黑碳浓度为20ng/m3。在黑碳气溶胶直接辐射强迫的模式计算研究方面,已经由20世纪90年代初期的一维简单辐射模式发展到现在的三维全球模式,并且开始通过模式研究黑碳气溶胶在云中的间接辐射强迫效应。Jacobson的研究还表明,对于某一时间段而言,减少黑碳和有机碳的排放比减少CO2和CH4的排放更能减慢全球变暖。Menon等利用全球气候模式(GISS)模拟中国和印度地区气溶胶的直接辐射强迫效果,认为吸收性气溶胶可以影响区域性气候。与国外已有工作相比,我国黑碳气溶胶的研究还相对比较薄弱。20世纪90年代初,我国在青海省西宁市的瓦里关山上建立了我国第一个全球大气本底基准观象台,这也是世界上第一个位于欧亚大陆内陆地区的WMO/GAW监测站,黑碳气溶胶监测作为其中一项基本的观测工作;瓦里关观测站在我国最早开展了大气黑碳气溶胶浓度测量。在观测研究方面,虽然国内科研人员的观测时间一般较短,并且仅限于北京等少数城市或地区,但从20世纪80年代开始在黑碳气溶胶的观测研究方面也做了一些研究工作并取得了一些成果;主要有汤洁等对我国临安、拉萨、青海等地区的观测。观测结果表明,瓦里关大气黑碳气溶胶浓度1994年7月至l995年l2月平均为l30～300ng/m3,并呈现夏季低、冬春季高的季节变化特征。温玉璞等在全球本底大气监测站瓦里关测量的大气黑碳气溶胶浓度l99l～l995年平均黑碳浓度约为l35ng/m3(范围:70～330ng/m3)。王庚辰等对北京、河北香河等地区的观测结果表明1996～2001年间秋末冬初北京地区大气黑碳浓度平均为22.37μg/m3(0.61～72.48μg/m3)。娄淑娟等2003年7月至2004年1月在北京大学物理楼顶(北纬39.990,东经116.310)使用两台黑碳仪(Aethalometer)和一台TEOM1400a(TaperedElementOscillatingMicrobalance)来观测气溶胶,得到夏季黑碳的平均浓度为8.800μg/m3,冬季为11.400μg/m3μg。在模式研究方面国内才刚刚起步,参与这方面研究的人比较少,但也做出了一定的研究成果,如张瑛等在硫酸盐和黑碳气溶胶辐射效应研究中,考虑了硫酸盐和黑碳气溶胶的光学性质、浓度的比例变化、混合形式等对模式的影响。研究表明当硫酸盐气溶胶和黑碳气溶胶同时存在时,黑碳气溶胶的加热作用与硫酸盐气溶胶的冷却作用相叠加,会使大气顶的负辐射强迫量减少,减少了负辐射强迫量。张美根等利用三维化学输送模式系统模拟研究了东亚地区春季黑碳气溶胶的输送和演变过程,模式系统较好地反映了黑碳气溶胶浓度的时空分布和变化趋势,再现了许多观测到的重要特征。4主要问题在黑碳气溶胶研究领域,存在很多重要问题需要解决,但目前主要有以下几方面的问题亟待解决:4.1黑碳气溶胶的测量首先,黑碳气溶胶浓度测量本身存在误差。由于气溶胶中的有机和无机成分的分离比较困难,加之黑碳气溶胶在大气中的浓度本身就是一个非常不均匀的量,这样测量结果将会存在较大的误差。同时,不同的测量技术如光学和热测量技术也会带来不一致。理论上,两种测量方法应该有较好的线性相关,但不同站点需要设置不同的衰减系数才能使两种方法测量的黑碳浓度比较一致。并且有一些研究显示光学和热学测量方法的结果有较大的差异。所以,要准确测量黑碳气溶胶有待于测量技术的进一步提高。其次,由于全球大部分国家和地区目前都缺乏对黑碳长期、系统的观测和研究,而且黑碳的排放也会随着时间的不同而发生变化。即使是在同一国家,因其不同地区能源结构不同及其变化、能源利用水平的差别等原因,也将造成黑碳排放量的显著差别。因此,只是根据某一地区前些年的资料和算法来估算某一国家或地区黑碳的排放量将会有很大的不准确性。目前,最为关键的是要通过多方面的努力尽量减少黑碳气溶胶的不确定因素,发展比较合理、准确、标准化的黑碳气溶胶测量方法和描述方法。只有获得各个国家和地区比较准确的黑碳排放量实测数据,获得具有区域特点的黑碳气溶胶的各种特性,才有可能比较准确地评价黑碳气溶胶的各种影响和效果,得到对各个国家和地区乃至全球因黑碳气溶胶引起的全球变暖、区域气候效应的科学客观评价。4.2混合气溶胶的制备黑碳气溶胶辐射强迫作用的机理、机制比较复杂,黑碳气溶胶与其它气溶胶的混合方式还存在很大争议,辐射模式本身也还不很完善,因此对黑碳气溶胶直接辐射强迫效应进行的估算还不够精确。4.3黑碳气溶胶对气候变化的间接影响黑碳气溶胶间接气候效应,其物理过程和作用机制较为复杂,黑碳气溶胶垂直分布、尺度分布等观测资料匮乏。因此黑碳气溶胶对气候变化造成的间接影响具有很多的不确定因素。加强观测和模式研究,逐步地消除这些不确定因素,是今后黑碳气溶胶直接和间接气候效应研究中的一个亟待解决的重要问题。4.4黑碳气溶胶的光学性质研究由于黑碳气溶胶在大气中停留时间相对较短,其空间和时间分布也具有很大的差别,全球仍缺乏广泛、长期的黑碳气溶胶浓度观测,有关黑碳气溶胶光学性质的参数