作為典型的短壽命氣候強迫因子，黑碳（BC）通過直接吸收陽光和降低冰雪表面的反射率加劇地球變暖，產生輻射效應，是僅次于二氧化碳的致暖因子。雖然新鮮排放的BC顆粒包含極為少量的包裹物，但大氣老化使BC顆粒混合極為復雜的化學成分（混合狀態），導致BC顆粒的形態、吸濕性和光學特性發生相當大的變化，使得其輻射效應難以被準確預測。
關于BC混合狀態的研究通常認為其大氣老化僅與二次氣溶膠組分（例如硫酸鹽、硝酸鹽和有機物）的凝結有關。近年來，有實驗室研究證據表明BC可能具有光化學活性或作為催化劑影響其大氣老化過程（包括引發有機物的氧化及硫酸鹽的形成等）。然而，目前仍沒有直接證據表明BC的這些內在屬性是否（或多大程度上）會影響它在實際大氣中的老化過程，包括其中二次氣溶膠成分的形成和演化。實際觀測研究中存在的主要挑戰是需要追蹤含BC顆粒的老化過程，這有賴于在單顆粒尺度上準確識別BC顆粒物及其中的二次氣溶膠成分。
針對這一問題，中國科學院廣州地球化學研究所有機地球化學國家重點實驗室、深地科學卓越創新中心大氣環境與空氣污染學科組張國華特任研究員、傅玉珍博士及畢新慧研究員等人使用單顆粒氣溶膠質譜儀(廣州禾信SPAMS)在單顆粒尺度上有效區分了城市大氣中含BC和不含BC顆粒物（圖1），并根據其質譜特征對比研究了其中硫酸鹽/硝酸鹽比值 (SNR) 的季節/晝夜變化特征（圖2）。在排除了共同來源、硝酸鹽形成、過渡金屬等混雜因子干擾的基礎上，發現：（1）含BC顆粒的SNR顯著高于不含BC顆粒，含BC顆粒的SNR隨單個顆粒中BC相對含量增加而增大；（2）SNR季節峰值出現在夏季和秋季，晝夜峰值出現在午后，與輻射相關參數（即太陽輻射和溫度）的變化趨勢一致。據此推測BC參與的光化學作用產生硫酸鹽是含BC顆粒中硫酸鹽相對富集的主要原因。多元線性回歸和隨機森林分析SNR 變化的決定因素進一步支持了該推論：含BC顆粒的SNR變化可以較大程度上通過輻射相關參數（> 30%）和單個顆粒中BC相對含量（~20%）解釋，但前體物的影響極為有限（SO2/NOx：< 5%）；不同的是，輻射相關參數僅能解釋< 10%不含BC顆粒中SNR的變化。
圖1：(a)含BC顆粒(BC-containing particles)和(b)不含BC顆粒(BC-free particles)的特征質譜圖。紅色質譜峰表示含BC顆粒中顯著增強的特征離子（與不含BC顆粒相比）
圖2：(a) 含BC顆粒和不含BC顆粒 SNRs 的(a)季節變化(10%-90%分位數)和(b)晝夜變化（小時均值95%置信區間）
這一觀測證據將實驗室結果擴展到環境大氣，主要強調了BC內在屬性對其光化學演化的重要性，可能顯著影響其中硫酸鹽的相對富集，特別是在夏季和秋季。因為形成的硫酸鹽對于評估含BC顆粒的吸濕性、相態和光學特性至關重要，該結果可為更準確解釋BC在環境大氣中的演變和氣候影響提供參考依據。一方面，鑒于BC是城市大氣顆粒物的重要組成部分，這種作用可能對硫酸鹽的形成和演化具有重要的貢獻，值得進一步定量評估（特別是考慮霧霾事件中多相反應對硫酸鹽形成的貢獻時）。另一方面，硫酸鹽作為中國重污染地區BC光吸收增強的主要驅動因素之一，通過這一機制造成其在BC顆粒上的相對富集對BC光吸收增強的潛在貢獻仍有待評估。
本研究受到國家自然科學基金、廣東省杰出青年基金、中科院青年創新促進會等項目的聯合資助。相關研究成果近期發表在Journal of Geophysical Research: Atmospheres，主要合作者包括中國科學院廣州地球化學研究所王新明研究員和英國伯明翰大學時宗波教授等人。
論文信息：Zhang G., Fu Y., Peng X., Sun W., Shi Z., Song W., Hu W., Chen D., Lian X., Li L., Tang M., Wang X., Bi X., 2021. Black Carbon Involved Photochemistry Enhances the Formation of Sulfate in the Ambient Atmosphere: Evidence From In Situ Individual Particle Investigation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 126, e2021JD035226. doi:10.1029/2021jd035226.
