【摘要】：氣溶膠能夠通過(guò)吸收、散射太陽(yáng)輻射以及作為云凝結(jié)核影響氣候。氣溶膠的輻射強(qiáng)迫是當(dāng)前氣候預(yù)測(cè)不確定性的最大來(lái)源。對(duì)海洋上空尤其是遠(yuǎn)洋地區(qū)氣溶膠濃度和化學(xué)成分認(rèn)識(shí)的不充分是造成這種不確定性的重要原因。有機(jī)氣溶膠是海洋氣溶膠尤其是氣候效應(yīng)顯著的亞微米氣溶膠的重要組成部分。本文利用分子標(biāo)志物示蹤了中國(guó)第3次北極科學(xué)考察(CHINARE 08)和第26次南極科學(xué)考察(CHINARE 09/10)航線上海洋邊界層異戊二烯和單萜來(lái)源的二次有機(jī)氣溶膠(SOA)、生物質(zhì)燃燒氣溶膠、一元和二元羧酸等有機(jī)氣溶膠,分析了其種類、濃度、來(lái)源和影響因素等,并對(duì)SOA的前導(dǎo)揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)進(jìn)行了研究,對(duì)全面理解海洋上空有機(jī)氣溶膠有一定的幫助。此外,本文還將有機(jī)分子標(biāo)志物的方法應(yīng)用到古環(huán)境和古生態(tài)的研究中,恢復(fù)了高緯度南極羅斯海地區(qū)企鵝及相關(guān)植被的演化歷史。本文取得的主要認(rèn)識(shí)與結(jié)論如下:(一)異戊二烯和單萜SOA在從北極到南極的各個(gè)海區(qū)都有檢出。各種異戊二烯SOA標(biāo)志物的總濃度范圍是0.018～36 ng m-3,平均濃度為8.5± 11 ng m-3;單萜SOA標(biāo)志物總濃度范圍是0.045～20 ng m-3,平均值為3.0土5.0 ng m-3。北半球SOA標(biāo)志物的濃度比南半球高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。近海區(qū)域SOA不僅來(lái)自海洋排放的異戊二烯和單萜,陸地物質(zhì)的輸入對(duì)其也有很大的貢獻(xiàn),因此濃度較高。遠(yuǎn)洋地區(qū)SOA來(lái)自海洋源,其濃度通常處于較低水平。但在浮游植物爆發(fā)時(shí)海洋源異戊二烯SOA會(huì)迅速增加,對(duì)海洋SOA有重要影響。(二)利用分子標(biāo)志物左旋葡萄糖,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃燒對(duì)海洋邊界層氣溶膠的影響時(shí)是無(wú)處不在的。航線上左旋葡萄糖濃度范圍是0.18～41 ng m-3,平均值為5.4±6.2ng m-3。左旋葡萄糖在空間上的分布并不均勻,但南半球海洋上空左旋葡萄糖的含量與北半球相當(dāng)。中緯度地區(qū)(30°～60°N,30°～60° S)平均濃度最高,其次為北半球高緯度地區(qū)(60°～90°N),而南極和熱帶地區(qū)的含量最低。生物質(zhì)燃燒對(duì)從北極到南極海洋上空氣溶膠中的汞(Hg)和水溶性有機(jī)碳(WSOC)有顯著影響,對(duì)北半球WSOC的貢獻(xiàn)高于南半球。此外,生物質(zhì)燃燒還是南極內(nèi)陸冰雪有機(jī)碳的一個(gè)潛在來(lái)源。(三)CHINARE08航線上一元羧酸((C14..0～(C32:0、(C16:1、(C18:1、C18:2)和二元羧酸(di-C4～di-C10)的濃度范圍分別為2.9～54和6.0～483ng m-3,平均濃度分別為19±16ng m-3和239±123ng m-3。飽和一元羧酸的峰值出現(xiàn)在C16:0,其次為C18:0和C14:0。不飽和一元羧酸的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飽和一元羧酸,以C18:1為主。各種二元羧酸的濃度基本上隨碳原子數(shù)的增加而減小,以di-C4和di-C5含量最高。一元和二元羧酸濃度大體上隨緯度的升高而降低,北極圈外的濃度顯著高于北極圈內(nèi)。一元和二元羧酸的5個(gè)主要來(lái)源包括:生物質(zhì)燃燒排放、海洋直接排放、光化學(xué)反應(yīng)生成,人為排放和陸地植被排放。(四)CHINARE 08和CHINARE 09/10期間所采集樣品中WSOC濃度范圍是86～3850ng/m3,平均值為859±673 ng/m3。異戊二烯SOA、單萜SOA、生物質(zhì)燃燒氣溶膠和二元羧酸對(duì)WSOC的平均貢獻(xiàn)分別為7.2±8.9%、1.9±2.9%、7.6±7.5%和 20±14%。(五)通過(guò)指示劑一氧化碳(CO),發(fā)現(xiàn)化石燃料燃燒是α-蒎烯、β-蒎烯和碘甲烷(CH3I)被忽視的潛在來(lái)源。排除明顯受到船污影響的樣品,中國(guó)第28次南極科學(xué)考察(CHINARE 11/12)和第5次北極考察(CHINARE 12)航線上異戊二烯、α-蒎烯和β-蒎烯的平均濃度分別為40±67、61±246和29±90pptv。異戊二烯和單萜(α-蒎烯和β-蒎烯)在空間上的分布極不均勻,北半球中高緯度地區(qū)的中值濃度最低。由于陸地輸入對(duì)海洋上空SOA的貢獻(xiàn),異戊二烯和單萜與其SOA在空間上的分布并沒(méi)有明顯的相關(guān)性。但在陸地影響可以忽略時(shí),它們具有相似的變化趨勢(shì)。如南極普里茲灣藻類爆發(fā)時(shí),異戊二烯與其SOA含量都顯著上升。(六)排除明顯受到船污影響的樣品后,CHINARE 11/12和CHINARE 12期間海洋邊界層CH3I濃度范圍是0.17～4.8pptv,平均值為0.60±0.57pptv。北半球CH3I濃度顯著高于南半球;北半球中緯度地區(qū)濃度最高,南半球高緯度地區(qū)濃度量最低。CH3I濃度與海表葉綠素a、溶解有機(jī)物、溫度以及化石燃料和生物質(zhì)燃燒、風(fēng)速相關(guān),但在不同地區(qū)各因素的作用有很大差異。此外,有機(jī)碘還是有機(jī)氣溶膠的重要組成部分。利用Orbitrap質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)碘己烷(C6H13I)是有機(jī)碘氣溶膠的一個(gè)可能成分,但這還需要進(jìn)一步的證實(shí)。(七)企鵝是南極最重要的海鳥,對(duì)氣候和環(huán)境的響應(yīng)極為敏感。本文利用沉積剖面中的有機(jī)分子標(biāo)志物,恢復(fù)了南極羅斯島Cape Bird西北海灘企鵝、海豹和周邊植被過(guò)去700年以來(lái)的演化歷史。該地區(qū)在小冰期(1500～1800 AD)開(kāi)始時(shí)由海豹聚居地轉(zhuǎn)變?yōu)槠簌Z聚居地。企鵝活動(dòng)有利于藻類而不利于地衣的生長(zhǎng)。企鵝數(shù)量在最寒冷的1490～1670 AD期間達(dá)到峰值,這與南極較低緯度地區(qū)企鵝數(shù)量在溫暖時(shí)期增加,在寒冷時(shí)期減少的普遍規(guī)律并不一致。小冰期時(shí)羅斯海地區(qū)冰間湖的增多和企鵝的遷徙是該區(qū)域企鵝數(shù)量增加的可能原因。該研究表明即使是相同的物種在不同地區(qū)對(duì)氣候變化的響應(yīng)也可能不同。
【圖文】：

粒子稱為“細(xì)顆�！保瑢⒅睆酱笥冢玻靛澹停淼牧Ｗ臃Q為“粗顆�！�。不同粒徑的氣逡逑溶膠的來(lái)源、化學(xué)組成、光學(xué)性質(zhì)、形成機(jī)制、在大氣中的保留時(shí)間和消除機(jī)逡逑制、健康效應(yīng)都有很大的差異。根據(jù)表面積的典型分布（圖１．１），大氣氣溶膠逡逑粒子可以微分以及４個(gè)模態(tài)：核膜態(tài)（ｄ＜１０邋ｎｍ）、愛(ài)根核（Ａｉｔｋｅｎ）膜態(tài)（１０邋ｎｍ逡逑＜ｄ＜１００ｎｍ）、積聚模態(tài)（０．１ｎｍ＜ｄ＜２．５｜ｘｍ）和粗模態(tài)（ｄ＞２．５＾ｍ）邋（Ｗｈｉｔｂｙａｎｄ逡逑Ｃａｎｔｒｅｌｌ，１９７６）。核膜態(tài)和愛(ài)根核模態(tài)的粒子在數(shù)濃度上占優(yōu)；但由于顆粒小，逡逑在質(zhì)量濃度上只占次要的比例。這兩種模態(tài)的粒子來(lái)自燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫逡逑蒸汽的凝結(jié)以及在大氣中通過(guò)成核過(guò)程形成的新鮮顆粒。多數(shù)愛(ài)根核模態(tài)粒子逡逑可以作為大氣中的初始顆粒，在大氣中傳輸時(shí)會(huì)有二次物質(zhì)凝結(jié)其上。核膜態(tài)逡逑和愛(ài)根核模態(tài)粒子主要通過(guò)聚合成更大的粒子而從大氣中消除。積聚模態(tài)粒子逡逑占據(jù)了氣溶膠表面積濃度中的大部分，在質(zhì)量濃度中也占有顯著的份額。積聚逡逑模態(tài)粒子來(lái)自核膜態(tài)和愛(ài)根核模態(tài)粒子的碰撞聚合，或者通過(guò)氣體凝結(jié)在現(xiàn)有逡逑粒子上從而長(zhǎng)大到這個(gè)粒徑范圍。積聚模態(tài)的粒子，不易被千、濕沉降消除，逡逑是大氣中最穩(wěn)定的氣溶膠粒子，，主要通過(guò)擴(kuò)散去除。粗模態(tài)粒子是通過(guò)機(jī)械過(guò)逡逑程產(chǎn)生的一次顆粒，主要為自然和人為產(chǎn)生的揚(yáng)塵。粗模態(tài)粒子的沉降速率較逡逑大

甚至可能導(dǎo)致轄射強(qiáng)迫值正負(fù)號(hào)的變化（Ｓｅｉｎｆｅｌｄ邋ａｎｄ邋Ｐａｎｄｉｓ，邋２００６）。逡逑根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（ＩＰＣＣ）第四次評(píng)估報(bào)告（ＩＰＣＣ，邋２００７），逡逑人為來(lái)源氣溶膠的間接效應(yīng)是氣候預(yù)測(cè)不確定性的最大來(lái)源（圖１．２）。為了確逡逑定人為源氣溶膠的氣候效應(yīng)，包括“非污染氣溶膠”（Ａｎｄｒｅａｅ，２００７）在內(nèi)的所逡逑有氣溶膠（人為源和自然源）對(duì)氣候系統(tǒng)的影響都必須了解。而當(dāng)前對(duì)自然源逡逑氣溶膠，特別是海洋氣溶膠背景濃度以及與其相關(guān)的云性質(zhì)認(rèn)識(shí)的不充分，為逡逑評(píng)估人為源氣溶膠的氣候效應(yīng)帶來(lái)了巨大的難度。因?yàn)楹Ｑ筮吔鐚訌V闊的層積逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：Q958;X513


本文編號(hào)：2638780