一項國際研究在空氣污染形成過程中發現了一個令人驚訝的大氣過程：老化沙塵顆粒表面的非均相反應生成大量二次有機氣溶膠。與長期以來的科學認識不同，曾經被認為粒徑過大且過于干燥而無法發生化學反應的大量沙塵顆粒，實際上充當著“大氣中的化學反應器”——促進了液相二次有機氣溶膠（aqSOA）的形成，從而影響空氣質量和人類健康。

傳統觀點認為，aqSOA主要形成于亞微米吸濕性顆粒物（如硫酸鹽、硝酸鹽）或云滴中。然而，礦物沙塵（尤其是超微米沙塵顆粒物）作為大氣中質量占比最高的氣溶膠類型（全球年排放量約26 Tg），在長距離傳輸過程中沙塵顆粒老化，其表面化學特性可以通過吸濕性硝酸鈣在低濕條件下（RH>8%）吸附水分形成“液膜”，成為aqSOA的形成界面。

近日，由浙江大學李衛軍研究員領銜的團隊包括日本橫濱地球科學研究所Akinori Ito、英國伯明翰大學時宗波等國際組合，在《國家科學評論》（National Science Review）發表題為“Aqueous-phase secondary organic aerosol formation on mineral dust”的研究論文。

通過歷時10年多的跨國野外觀測、微觀納米分析與全球模型模擬，首次系統揭示了礦物沙塵表面aqSOA的形成機制及其對全球SOA的貢獻，彌補了傳統模型中僅考慮亞微米顆粒物SOA帶來的模擬空白，為氣溶膠氣候和環境效應評估提供了全新的思路。

首次證實沙塵氣溶膠SOA液相反應廣泛存在

研究團隊整合了中國阿拉善、西安、青島及希臘克里特島等多地觀測數據，結合高分辨率電鏡與納米二次離子質譜技術，首次捕捉到老化沙塵顆粒表面硝酸鈣包裹層的“水膜”及其包裹的有機物質。結果表明，在沙塵事件期間，超微米顆粒中的水溶性有機碳（WSOC）占比高達56%，其中66%與沙塵老化形成的硝酸鈣包裹層直接相關。通過對全球大氣化學傳輸模型（IMPACT）中沙塵氣溶膠化學模型的改進，模擬發現老化沙塵表面aqSOA對陸地總SOA的貢獻達16%，在從撒哈拉到東亞的“沙塵帶”，這一比例可飆升至67%。按年排放量估算，沙塵表面的液相反應每年貢獻約28%的全球aqSOA總量，相當于為大氣“注入”數百萬噸隱形的有機氣溶膠。

破解老化沙塵的“水膜密碼”

傳統觀點認為，新鮮排放的沙塵疏水且化學惰性，但研究揭示：當沙塵顆粒在長距離傳輸中與硝酸反應形成硝酸鈣包裹層后，其吸濕性發生劇變——在相對濕度僅8%時即可吸附液態水，形成納米至微米級“水膜”。這層水膜成為水溶性有機物（如乙二醛）的“反應釜”，通過光氧化和低聚作用等途徑將其轉化為難揮發的有機酸與有機酯等。微觀分析顯示，老化沙塵表面的硝酸鈣包裹層中的12C-、12C14N-和14N16O2-離子碎片信號密集（圖1），而新鮮沙塵則無此特征。更關鍵的是，這類反應無須云過程參與，在常見濕度條件下即可持續進行，使得這類沙塵顆粒成為陸地上空“流動的隱形化學反應器”（圖2）。

圖1 老化和新鮮沙塵氣溶膠的微觀形貌及離子組分圖

圖2 沙塵表面液相二次氣溶膠（aqSOA）形成機制

改寫氣候模型的“隱藏變量”

研究指出，當前氣候模型嚴重低估了超微米沙塵顆粒物對SOA的貢獻，主因在于未納入沙塵表面液相反應路徑。通過改進模型中的乙二醛等有機反應參數，模擬結果與觀測數據的吻合度（R2）從0.01躍升至0.84。模型預測顯示，若忽略這一機制，全球SOA負荷和空間分布將出現系統性偏差——東亞等沙塵下游污染區的SOA濃度可能被低估超60%（圖3）。此外，沙塵表面形成的有機包裹層可以改變顆粒物的吸濕性，影響其云凝結核活性，進而擾動區域降水模式和輻射平衡。這些發現提示，沙塵不僅是被動的“氣候乘客”，更是活躍的“氣候調節者”。

圖3 全球大氣化學模型模擬的超微米沙塵對二次有機氣溶膠的貢獻（a）基礎模型模擬結果（b）改進模型模擬結果

這項研究不僅改寫了大氣科學的關鍵篇章，還揭示了廣泛存在大氣中沙塵顆粒對我們空氣質量的復雜且重大影響遠超以往認知。它強調了在氣候和空氣質量模型中納入這些新途徑的重要性。

“沙塵暴不僅僅是環境問題——它們是氣候系統中的化學觸發器，解開沙塵顆粒表面反應的‘黑匣子’對于擴大當前知識邊界、準確評估氣溶膠對氣候和環境的影響至關重要”該研究的第一作者兼共同通訊作者李衛軍研究員和共同通訊作者Akinori Ito研究員共同強調。

共同通訊作者時宗波教授表示：“我們發現老化沙塵就像海綿和反應器一樣，能夠吸收污染物并將其轉化為影響我們健康和氣候的顆粒物?！?/p>

來源: 《中國科學》雜志社