中科大等锁定华南雾霾“元凶”

最近，好消息来自中国科技大学。该大学地球与空间科学学院的沈燕安教授带领团队与美国研究人员和其他人合作，系统地测量了中国南方气溶胶中的硫酸盐、大气中的二氧化硫和代表性煤的稳定硫同位素。

■我们的记者袁一学

每当人们遇到烟雾笼罩的城市，他们不仅尽力保护自己，而且希望科学家能找出烟雾形成的原因，进而渴望从根本上解决这个问题。

最近，好消息来自中国科技大学。该大学地球与空间科学学院教授沈燕安带领一个团队与美国研究人员和其他人合作，通过系统地测量气溶胶中的硫酸盐、大气中的二氧化硫和中国南方典型煤的稳定硫同位素，初步确定了中国南方烟雾的“杀手”。

研究结果最近发表在国际学术期刊《美国科学院院刊》的网上。

煤和生物质的燃烧是原因

虽然“烟雾”一词经常被一起使用，但它们是两个不同的概念:雾是由大量悬浮在地面附近空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，而烟雾是由灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物和空气中的其他颗粒组成的。当大气中各种悬浮粒子的含量超过标准并与雾结合时，天空中的能见度就会降低，烟雾就会出现。

"准确地说，烟雾应该被称为气溶胶，它通常由硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑碳组成."沈亚男在接受《中国科学》记者采访时解释道。

虽然成分可以分析，烟雾的原因是复杂的，如汽车尾气，工业排放，建筑粉尘，垃圾焚烧等。，这可能是烟雾天气的“元凶”。当要分析的对象是特定区域时，研究人员需要更多的手段来确定烟雾的原因。

为了找出华南烟雾的成因，沈燕安带领研究小组与美国同事合作，进行稳定硫同位素的高精度测定，并探索其非质量分馏信号的成因。

选择硫同位素进行研究是因为硫酸盐和硝酸盐通常在烟雾中占很大比例。在无霾天气，硫酸盐占气溶胶成分的10%或更少，但在无霾天气，硫酸盐占气溶胶成分的20%或更多沈延安说道。

气溶胶中的硫酸盐是由二氧化硫和其他物质的化学反应产生的，而二氧化硫主要来自煤、农作物等生物质的燃烧和工业排放。“首先是二氧化硫，然后产生硫酸。通过研究硫酸，我们可以知道二氧化硫的来源。因为不同的物质来源由不同的硫同位素组成。”沈延安说道。

经过研究，沈燕安研究小组的初步研究结论是，中国南方雾霾硫酸盐的产生主要是由生物质和化石燃料燃烧形成的。

解决难题的创新方法

除了初步了解华南地区烟雾的成因外，沈燕安等人还创造了一种新的烟雾成因研究方法，即首次将放射性硫同位素(35S)与稳定硫同位素(32S、33S、34S、36S)结合起来。

硫酸的化学式是H2SO4，其中硫包括四种稳定同位素32S、33S、34S和36S以及各种放射性同位素。“在许多放射性同位素中，我们选择测定35S来帮助我们研究33S和36S异常的原因。”沈燕安说:“由于不同来源的二氧化硫的硫同位素组成存在显著差异，我们进行了稳定硫同位素的高精度测定，并探讨了其非质量分馏信号的原因，这对正确认识烟雾的物质来源和形成机理具有指导意义。”

然而，33S和36S主要是从四种硫的稳定同位素讨论的，因为不同物质来源和传输途径的硫酸盐是由不同的33S和36S同位素组成的，沈燕安等人也根据它们的组成推断它们的成因。

“首先，33S和36S的研究结果证明，二次硫酸盐形成于大气层的平流层，即在离地面12-50公里的范围内。”沈延安说道。这是因为33S的异常组成只能由平流层的光化学反应引起。这表明中国南方生物质和化石能源的燃烧产生了大量的二氧化硫。这些二氧化硫中的一部分进入平流层，通过光化学反应产生硫酸，然后沉降到对流层和12千米以下的地表。

此外，研究小组还发现36S和33S之间没有关联，这也指出了中国南方雾霾的原因是同一个罪魁祸首——化石燃料和生物质燃烧。因为从理论上讲，如果所有的二氧化硫都进入平流层，我们将观察到33S和36S异常信号，这两个异常应该是相关的，因为它们是由同一个光化学反应产生的沈延安说道。

但事实上，研究结果表明36S与33S无关。这表明它们的形成机制是不同的，不仅仅是平流层中的光化学反应。36S异常与硫氧化速率和各种生物质燃烧示踪剂如左旋葡聚糖、甘露聚糖和钾离子的丰度密切相关。

需要更多的研究来“解开”烟雾。

沈燕安等人的这项研究首次使用了四种稳定硫同位素和放射性硫同位素的组合。在此之前，我国研究霾硫酸盐来源的方法主要集中在含量测定上，即比较霾天气和非霾天气中化学成分的组成差异，进而推断其物质来源。

"这种方法极大地促进了我们对烟雾产生机理的理解."沈燕安说:“然而，硫同位素的研究可以更清楚地区分烟雾源物质的差异。”他举了一个例子。如果两个偏远地区同时出现灰霾天气，且硫酸盐含量相同，如果仅考虑硫酸盐含量，很难区分两个地区灰霾的物质来源是否相同。然而，如果分析硫同位素，就可以确定两者之间的异同。

然而，目前硫稳定同位素与放射性硫同位素结合的研究存在技术难点。世界上只有大约8个实验室能够进行四种硫稳定同位素的高精度测试，中国科技大学沈燕安实验室就是其中之一。"我们实验室的33S测试精度优于万分之一."沈延安接着说道。

然而，沈燕安也承认，尽管他在研究烟雾的物质来源、传播途径和机理方面取得了一些新的结论和认识，但他只是在长征中迈出了第一步。目前，这项研究只集中在一个监测站，需要在深度和广度上加强。然而，硫同位素的研究方法也可以有更广阔的应用前景，沈燕安对此充满信心。

首先，硫同位素的研究可以根据不同的物质来源判断硫同位素组成的差异，进而判断烟雾的物质来源。其次，通过35S和四种稳定硫同位素的组合试验，研究人员可以阐明烟雾的物理输运规律。“也就是说，我们应该能够找到雾霾在中国南方和北方以及亚洲国家之间的传播途径。”沈延安解释道。

尽管新方法刚刚开始，沈燕安相信他们的初步研究已经证明这是一种有效的方法。“我希望国内外的同事们能合作，更广泛地研究烟雾的来源和形成机理。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.1803420115

中国科学新闻(2018-08-17，第三版)