近日，從中國科技大學傳來好消息，該校地球和空間科學學院教授沈延安帶領團隊與美國研究人員等合作，通過系統地測定華南氣溶膠的硫酸鹽、大氣中的二氧化硫以及代表性煤的穩定硫同位素。
■本報記者 袁一雪
每每遇到霧霾鎖城，人們除了想方設法保護自己的同時，也希望科學家們能找到霧霾形成的原因，進而渴望從根本解決這一問題。
近日，從中國科技大學傳來好消息，該校地球和空間科學學院教授沈延安帶領團隊與美國研究人員等合作，通過系統地測定華南氣溶膠的硫酸鹽、大氣中的二氧化硫以及代表性煤的穩定硫同位素，初步鎖定了華南霧霾的“兇手”。
此項研究成果日前在線發表在國際學術期刊《美國科學院院刊》上。
煤與生物質的燃燒是成因
“霧霾”兩個字雖經常在一起被連用，兩者卻是兩個不同的概念：霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統，而霾則是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子組成的。當大氣中各種懸浮顆粒物含量超標並與霧氣結合在一起時，會降低天空能見度，成為霧霾。
“準確地說，霧霾應該叫氣溶膠，一般由硫酸鹽、硝酸鹽、有機碳和黑炭等組成。”沈延安在接受《中國科學報》記者採訪時解釋道。
雖然成分可以分析，但是霧霾的形成原因複雜，比如汽車尾氣、工業排放、建築揚塵、垃圾焚燒等，都可能是造成霧霾天氣的“元兇”。當需要分析的對象具體到某一地區時，研究人員則需要更多的手段來確定霧霾的成因。
為了弄清華南地區霧霾的成因，沈延安帶領研究團隊與美國同事合作，對穩定硫同位素進行高精度測定並探索其非質量分餾信號的成因。
之所以選擇硫同位素進行研究，是因為硫酸鹽和硝酸鹽通常在霧霾中佔有較大比重。“在沒有霧霾的天氣，硫酸鹽大約佔氣溶膠組成的10%或更低，但在霧霾的天氣，硫酸鹽能夠佔氣溶膠組成的20%甚至更高。”沈延安介紹說。
氣溶膠中的硫酸鹽源自二氧化硫和其他物質的化學反應生成，而二氧化硫則主要來源於煤與農作物等生物質的燃燒以及工業排放等。“先有二氧化硫然後生成硫酸，通過研究硫酸我們可以知道二氧化硫的來源。因為不同的物質來源由不同的硫同位素組成。”沈延安表示。
經過研究，沈延安研究團隊的初步研究結論是華南霧霾硫酸鹽的產生主要由生物質和化石燃料燃燒形成。
創新方法解決難題
這次研究除了初步弄清華南霧霾的成因，沈延安等人還創立了一種針對霧霾成因的新的研究方法，即首次將放射性硫同位素（35S）與穩定硫同位素（32S、33S、34S、36S）相結合。
硫酸的化學分子式是H2SO4，其中，硫包括32S、33S、34S、36S四種穩定同位素和多種放射性同位素。“而在眾多放射性同位素中，我們選擇測定35S，來幫助研究33S和36S異常來源的原因。”沈延安說，“因為不同來源的二氧化硫中，硫同位素組成有顯著的差別，所以我們對穩定硫同位素進行高精度的測定，並探索其非質量分餾信號成因，對正確認識霧霾的物質來源和形成機制具有指導意義。”
而從四種硫的穩定同位素中重點討論33S、36S，是因為不同物質來源和傳輸途徑的硫酸鹽由不同的33S、36S同位素組成，沈延安等人也就依據這兩者的組成來推斷其成因。
“首先，33S與36S的研究結果證明了二次硫酸鹽形成於大氣的平流層，即地表以上12～50千米的範圍。”沈延安說。這是因為33S異常組成只可能產生於平流層的光化學反應。這說明華南的生物質與化石能源的燃燒產生了大量的二氧化硫，這些二氧化硫有一部分進入平流層，經過光化學反應生成硫酸然後沉降到12千米以下的對流層和地表。
除此之外，研究團隊還發現36S與33S不存在相關性，這一結論也將華南地區霧霾成因指向了同一個罪魁禍首——化石燃料和生物質燃燒。“因為，從理論上講，如果所有的二氧化硫都進入平流層，那麼我們就會觀測到33S和36S的異常信號，而這兩種異常應該存在相關性，因為它們是由同一種光化學反應生成的。”沈延安說。
但實際上，研究結果顯示36S與33S不相關。這說明它們的形成機制有區別，並不僅僅是平流層的光化學反應，36S異常與硫氧化率及左旋葡聚糖、甘露聚糖、鉀離子等多種生物質燃燒示蹤物丰度均呈現強相關性。
“解鎖”霧霾還需更多研究
沈延安等人的此次研究是首次利用四種硫的穩定同位素與放射性硫同位素相結合的研究，在這之前，我國研究霧霾硫酸鹽來源的方法主要集中在含量測試上，即比較霧霾和非霧霾天氣化學組分的組成差別進而推斷其物質來源。
“這一手段對我們認識霧霾的產生機制起到了很大的推動作用。”沈延安表示，“但硫同位素的研究則能更清楚地辨別霧霾來源物質的區別。”他舉了個例子，如果兩個相隔很遠的地區同時出現霧霾天氣，且其中的硫酸鹽含量相同，那麼如果只關注硫酸鹽含量就很難分清兩地霧霾的物質來源是否相同，但如果分析硫同位素則能夠釐定兩者的異同。
只是目前利用硫的穩定同位素與放射性硫同位素相結合的研究存在技術困難，全球只有大約8個實驗室能夠進行高精度的四種硫穩定同位素測試，中國科技大學沈延安實驗室就是其中之一。“我們實驗室33S的測試精度好於十萬分之一。”沈延安補充道。
不過，沈延安也坦言，雖然在研究霧霾的物質來源、傳輸途徑和成因機制等方面取得了一些新的結論和認識，只是萬里長征走完了第一步。因為目前這項研究只是圍繞一個監測站，因此從深度和廣度上還需要加強。但硫同位素的研究手段還可以擁有更廣闊的應用前景，沈延安對此充滿信心。
首先，硫同位素的研究能夠根據不同物質來源判斷硫同位素組成的不同，進而判斷霧霾的物質來源；其次，通過35S與四種穩定硫同位素的結合測試，研究人員或許將釐清霧霾的物理運移規律。“也就是說，我們應該能夠查清霧霾在華南和華北之間以及亞洲國家之間的傳輸途徑。”沈延安解釋道。
雖然新方法剛剛起步，但是沈延安認為，他們的初步研究已經證明了這是一種行之有效的手段。“希望國內外同行一道開展合作，更廣泛地研究霧霾的來源和形成機制。”
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