利用分子标志物示踪海洋边界层有机气溶胶及企鹅聚居地演化历史

发布时间：2020-04-24 09:02

【摘要】：气溶胶能够通过吸收、散射太阳辐射以及作为云凝结核影响气候。气溶胶的辐射强迫是当前气候预测不确定性的最大来源。对海洋上空尤其是远洋地区气溶胶浓度和化学成分认识的不充分是造成这种不确定性的重要原因。有机气溶胶是海洋气溶胶尤其是气候效应显著的亚微米气溶胶的重要组成部分。本文利用分子标志物示踪了中国第3次北极科学考察(CHINARE 08)和第26次南极科学考察(CHINARE 09/10)航线上海洋边界层异戊二烯和单萜来源的二次有机气溶胶(SOA)、生物质燃烧气溶胶、一元和二元羧酸等有机气溶胶,分析了其种类、浓度、来源和影响因素等,并对SOA的前导挥发性有机物(VOC)进行了研究,对全面理解海洋上空有机气溶胶有一定的帮助。此外,本文还将有机分子标志物的方法应用到古环境和古生态的研究中,恢复了高纬度南极罗斯海地区企鹅及相关植被的演化历史。本文取得的主要认识与结论如下:(一)异戊二烯和单萜SOA在从北极到南极的各个海区都有检出。各种异戊二烯SOA标志物的总浓度范围是0.018～36 ng m-3,平均浓度为8.5± 11 ng m-3;单萜SOA标志物总浓度范围是0.045～20 ng m-3,平均值为3.0土5.0 ng m-3。北半球SOA标志物的浓度比南半球高出一个数量级。近海区域SOA不仅来自海洋排放的异戊二烯和单萜,陆地物质的输入对其也有很大的贡献,因此浓度较高。远洋地区SOA来自海洋源,其浓度通常处于较低水平。但在浮游植物爆发时海洋源异戊二烯SOA会迅速增加,对海洋SOA有重要影响。(二)利用分子标志物左旋葡萄糖,发现生物质燃烧对海洋边界层气溶胶的影响时是无处不在的。航线上左旋葡萄糖浓度范围是0.18～41 ng m-3,平均值为5.4±6.2ng m-3。左旋葡萄糖在空间上的分布并不均匀,但南半球海洋上空左旋葡萄糖的含量与北半球相当。中纬度地区(30°～60°N,30°～60° S)平均浓度最高,其次为北半球高纬度地区(60°～90°N),而南极和热带地区的含量最低。生物质燃烧对从北极到南极海洋上空气溶胶中的汞(Hg)和水溶性有机碳(WSOC)有显著影响,对北半球WSOC的贡献高于南半球。此外,生物质燃烧还是南极内陆冰雪有机碳的一个潜在来源。(三)CHINARE08航线上一元羧酸((C14..0～(C32:0、(C16:1、(C18:1、C18:2)和二元羧酸(di-C4～di-C10)的浓度范围分别为2.9～54和6.0～483ng m-3,平均浓度分别为19±16ng m-3和239±123ng m-3。饱和一元羧酸的峰值出现在C16:0,其次为C18:0和C14:0。不饱和一元羧酸的浓度远远低于饱和一元羧酸,以C18:1为主。各种二元羧酸的浓度基本上随碳原子数的增加而减小,以di-C4和di-C5含量最高。一元和二元羧酸浓度大体上随纬度的升高而降低,北极圈外的浓度显著高于北极圈内。一元和二元羧酸的5个主要来源包括:生物质燃烧排放、海洋直接排放、光化学反应生成,人为排放和陆地植被排放。(四)CHINARE 08和CHINARE 09/10期间所采集样品中WSOC浓度范围是86～3850ng/m3,平均值为859±673 ng/m3。异戊二烯SOA、单萜SOA、生物质燃烧气溶胶和二元羧酸对WSOC的平均贡献分别为7.2±8.9%、1.9±2.9%、7.6±7.5%和 20±14%。(五)通过指示剂一氧化碳(CO),发现化石燃料燃烧是α-蒎烯、β-蒎烯和碘甲烷(CH3I)被忽视的潜在来源。排除明显受到船污影响的样品,中国第28次南极科学考察(CHINARE 11/12)和第5次北极考察(CHINARE 12)航线上异戊二烯、α-蒎烯和β-蒎烯的平均浓度分别为40±67、61±246和29±90pptv。异戊二烯和单萜(α-蒎烯和β-蒎烯)在空间上的分布极不均匀,北半球中高纬度地区的中值浓度最低。由于陆地输入对海洋上空SOA的贡献,异戊二烯和单萜与其SOA在空间上的分布并没有明显的相关性。但在陆地影响可以忽略时,它们具有相似的变化趋势。如南极普里兹湾藻类爆发时,异戊二烯与其SOA含量都显著上升。(六)排除明显受到船污影响的样品后,CHINARE 11/12和CHINARE 12期间海洋边界层CH3I浓度范围是0.17～4.8pptv,平均值为0.60±0.57pptv。北半球CH3I浓度显著高于南半球;北半球中纬度地区浓度最高,南半球高纬度地区浓度量最低。CH3I浓度与海表叶绿素a、溶解有机物、温度以及化石燃料和生物质燃烧、风速相关,但在不同地区各因素的作用有很大差异。此外,有机碘还是有机气溶胶的重要组成部分。利用Orbitrap质谱仪发现碘己烷(C6H13I)是有机碘气溶胶的一个可能成分,但这还需要进一步的证实。(七)企鹅是南极最重要的海鸟,对气候和环境的响应极为敏感。本文利用沉积剖面中的有机分子标志物,恢复了南极罗斯岛Cape Bird西北海滩企鹅、海豹和周边植被过去700年以来的演化历史。该地区在小冰期(1500～1800 AD)开始时由海豹聚居地转变为企鹅聚居地。企鹅活动有利于藻类而不利于地衣的生长。企鹅数量在最寒冷的1490～1670 AD期间达到峰值,这与南极较低纬度地区企鹅数量在温暖时期增加,在寒冷时期减少的普遍规律并不一致。小冰期时罗斯海地区冰间湖的增多和企鹅的迁徙是该区域企鹅数量增加的可能原因。该研究表明即使是相同的物种在不同地区对气候变化的响应也可能不同。
【图文】：

粒子称为“细颗粒”，将直径大于２．５邋Ｍｍ的粒子称为“粗颗粒”。不同粒径的气逡逑溶胶的来源、化学组成、光学性质、形成机制、在大气中的保留时间和消除机逡逑制、健康效应都有很大的差异。根据表面积的典型分布（图１．１），大气气溶胶逡逑粒子可以微分以及４个模态：核膜态（ｄ＜１０邋ｎｍ）、爱根核（Ａｉｔｋｅｎ）膜态（１０邋ｎｍ逡逑＜ｄ＜１００ｎｍ）、积聚模态（０．１ｎｍ＜ｄ＜２．５｜ｘｍ）和粗模态（ｄ＞２．５＾ｍ）邋（Ｗｈｉｔｂｙａｎｄ逡逑Ｃａｎｔｒｅｌｌ，１９７６）。核膜态和爱根核模态的粒子在数浓度上占优；但由于颗粒小，逡逑在质量浓度上只占次要的比例。这两种模态的粒子来自燃烧过程中产生的高温逡逑蒸汽的凝结以及在大气中通过成核过程形成的新鲜颗粒。多数爱根核模态粒子逡逑可以作为大气中的初始颗粒，在大气中传输时会有二次物质凝结其上。核膜态逡逑和爱根核模态粒子主要通过聚合成更大的粒子而从大气中消除。积聚模态粒子逡逑占据了气溶胶表面积浓度中的大部分，在质量浓度中也占有显著的份额。积聚逡逑模态粒子来自核膜态和爱根核模态粒子的碰撞聚合，或者通过气体凝结在现有逡逑粒子上从而长大到这个粒径范围。积聚模态的粒子，不易被千、湿沉降消除，逡逑是大气中最稳定的气溶胶粒子，，主要通过扩散去除。粗模态粒子是通过机械过逡逑程产生的一次颗粒，主要为自然和人为产生的扬尘。粗模态粒子的沉降速率较逡逑大

甚至可能导致辖射强迫值正负号的变化（Ｓｅｉｎｆｅｌｄ邋ａｎｄ邋Ｐａｎｄｉｓ，邋２００６）。逡逑根据政府间气候变化专门委员会（ＩＰＣＣ）第四次评估报告（ＩＰＣＣ，邋２００７），逡逑人为来源气溶胶的间接效应是气候预测不确定性的最大来源（图１．２）。为了确逡逑定人为源气溶胶的气候效应，包括“非污染气溶胶”（Ａｎｄｒｅａｅ，２００７）在内的所逡逑有气溶胶（人为源和自然源）对气候系统的影响都必须了解。而当前对自然源逡逑气溶胶，特别是海洋气溶胶背景浓度以及与其相关的云性质认识的不充分，为逡逑评估人为源气溶胶的气候效应带来了巨大的难度。因为海洋边界层广阔的层积逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：Q958;X513


本文编号：2638780