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胡敏课题组在PNAS上发文揭示黑碳对雾霾和气候变化的双重作用机制

在我们的生活中,随处可见由于燃烧所产生的黑碳。如工厂烟囱、柴油车尾气管、点燃的生日蜡烛上方,经常能见到很多黑烟,就是因为其中包含了成千上万个小到10纳米,大到100微米的黑碳所致。这些黑碳虽小,却有极强的光谱吸光性,是辐射强迫仅次于CO2的关键性温室物种,对全球气候变化有至关重要的影响。目前,黑碳的增温作用已经被世界公认,但不同研究对其具体辐射强迫的估算一直存在着巨大的差异,使得黑碳成为气候变化研究领域中最具争议的部分和最大的不确定性来源。
    最近,由北京大学胡敏教授和美国德州农机大学的张人一教授领导的一个国际研究小组设计了一种新的“准实际”大气烟雾箱,能够很好的模拟黑碳排放到大气后的粒径、形貌和吸光性质随时间的变化。基于这种方法,研究团队识别出了黑碳在大气中发生性质演变的两个阶段(见下图):第一个阶段,大气中的低挥发性有机物凝结到从发动机、烟囱中“新鲜出炉”的黑碳上,使黑碳的形状从起初的类似“枝杈”状的链式结构变为致密的近球形结构。在这个阶段,黑碳的吸光能力变化不显著。第二个阶段,低挥发性有机物继续一层层的包裹在已变为球型的黑碳表面。此时,外部包裹的有机物如同“凹透镜”一样,将光聚集到中间被包裹的黑碳上,使黑碳的吸光能力极大增强(最高增强至刚排放黑碳的2.4倍)。
    研究进一步发现,大气中较高的污染物浓度加速了黑碳性质的转化。应用“准实际”大气烟雾箱,研究团队首次定量了在不同城市大气条件下黑碳性质变化的时间尺度。在美国休斯顿,这个过程可能要持续数天左右,而在较为污染的北京地区,黑碳在两个阶段分别只需要2-3小时左右。这样快速的转化不仅增强了污染地区黑碳的辐射强迫,也使得边界层更容易因高吸光能力的黑碳而变得稳定,从而导致更加频繁的重度雾霾爆发。

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图1 黑碳的粒径、形貌、吸光性及辐射强迫在大气中的演变过程

该成果基于北京大学环境模拟与污染控制国家重点实验室在校园内长期运行“城市大气环境定位观测站”,与大气化学研究团队中邵敏教授、曾立民教授等研究组合作。课题组博士后彭剑飞与国家“青年千人”计划获得者郭松研究员并列为第一作者。该研究获得国家自然科学基金和科技部973项目资金支持,成果于4月19日发表在美国著名科学期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America,缩写PNAS)上。在PNAS的同一期上,美国著名大气化学家,美国科学院院士Veerabhadran Ramanathan以“Convergence on climate warming by black carbon aerosols(黑碳气溶胶气候变暖效应研究的收敛)”为题发表了针对本成果的一篇评论,高度评价此成果 “弥合了对黑碳气候效应观测和模型模拟研究之间的2-3个数量级的鸿沟”,“使科学界对黑碳气候效应的认识更加趋于一致”

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