對于全球氣候的變幻莫測，人們常用“蝴蝶效應”來描述——亞馬孫雨林的一只蝴蝶扇動幾下翅膀，可能會在兩周后引發(fā)美國得克薩斯州的一場龍卷風。那么，如果不是蝴蝶扇動翅膀，而是亞馬孫雨林的空氣中多了一些大氣顆粒物，會給全球氣候帶來怎樣的影響呢?

近日，大連理工大學環(huán)境學院教授謝宏彬團隊與國際合作者在大氣顆粒物形成機制方面取得突破性進展。根據(jù)這項發(fā)表于《科學》的研究成果，大氣中顆粒物形成速率可能被嚴重低估——最高可達原有機制下顆粒物形成速率的1萬倍。

在接受《中國科學報》采訪時，謝宏彬表示，大氣顆粒物對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，尤其是霧霾對于人類健康的影響。但懸浮在空中的微小顆粒物所帶來的影響遠不止于此。

謝宏彬告訴《中國科學報》，從某個局部區(qū)域看，特別是將視角放在某個城市范圍內(nèi)，大氣顆粒物的濃度通常會比較高，但對當?shù)貧夂虿粫a(chǎn)生太大影響，更多是造成空氣污染，影響人類健康。對此，人們的研究重點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，某個地區(qū)的大氣顆粒物濃度變化產(chǎn)生的影響就要復雜得多。“因為大氣顆粒物的組成成分不同，對陽光會產(chǎn)生吸收或反射的不同效果，導致局部地區(qū)大氣溫度升高或降低。”謝宏彬說，這種變化顯然不是一只蝴蝶扇動幾下翅膀所能比擬的。

但由于全球大氣系統(tǒng)的極端復雜性，人們對于這種影響的具體效果和程度均缺乏研究。“也就是說，當某地的大氣顆粒物濃度增加后，究竟會導致當?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。

研究清楚這些影響的一個前提是，對于大氣顆粒物的成因有清晰認識，這成為目前防控大氣污染和研究氣候變化的一個基礎和關鍵性內(nèi)容。

因此，正確揭示大氣顆粒物形成的前體物及相關機制，一直是大氣環(huán)境科學研究的難點和前沿科學問題。

形成速率被低估1萬倍

大氣顆粒物的來源主要有兩個渠道：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。相對而言，前者的產(chǎn)生機制和原理比較明確，后者則較為模糊。

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

也就是說，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。

通常人們認為，大氣中硫酸與堿的反應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酸性氣體，酸堿反應也是一種最簡單且常見的化學反應形式。更重要的是，這類反應所形成的物質(zhì)擁有一個正負離子對，具有很強的“黏性”。“不管是硫酸與氨氣的反應，還是城市中更常見的硫酸與二甲胺的反應，都屬于這一類型。”謝宏彬說。

然而，謝宏彬課題組卻發(fā)現(xiàn)了一種效率更高的反應機制。

“我們發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的硫酸-氨氣二元機制，碘酸、亞碘酸、硫酸三類物質(zhì)相互反應形成顆粒物的速率要高10至1萬倍。此類機制也是海洋大氣顆粒物形成的主導性機制。”謝宏彬解釋說，表面上看，這是3種酸類物質(zhì)在相互反應并形成新離子，但挖掘其深層機制后，研究團隊發(fā)現(xiàn)該反應的本質(zhì)仍是酸堿反應，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，碘酸則起到了促進硫酸負離子形成的作用。

“碘酸、亞碘酸和硫酸都可以形成很強的鹵鍵，從而使新生成物具有更強的‘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。

揭示真實大氣情況下的顆粒物

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

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

“然而問題是，雖然硫的排放已經(jīng)呈下降態(tài)勢，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，大氣中相當一部分的碘排放來自自然。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增加。

此外，由于大氣中所含成分的種類數(shù)以萬計乃至十萬計，其中能夠形成顆粒物的反應機制遠不止二元或三元。在研究中，謝宏彬課題組就曾在城市大氣中發(fā)現(xiàn)過由六元機制作用形成的顆粒物。

“我們?nèi)〉昧艘欢ǖ某煽儯嚯x完全揭示真實大氣情況下的顆粒物形成過程還有一段路程，我們的研究還在路上。”謝宏彬說。

相關論文信息：

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