基于氧化流动管与气溶胶动力学模型探究新粒子生成机理

New particle formation has an important influence on climate change and air quality. However, the understanding of new particle formation mechanism, especially aerosol nucleation mechanism is incomplete. The current understanding of nucleation precursors has been promoted from sulfuric acid-water nucleation to sulfuric acid-ammonia / amines / organic acids nucleation and the self-nucleation of highly oxygenated molecules (HOMs), however, the understanding of the mechanism of the interaction between sulfuric acid, ammonia, amines and the nucleation of oxidation products of the anthropogenic or biogenic organics is not clear. This project intends to analyze the distribution of new nucleation precursor and particle number spectrum based on the combination of high-resolution mass spectrometer and wide-range particle spectrometer and oxidation flow tube, and improve aerosol dynamics model developed including cluster dynamics coupled with quantum chemical thermodynamics data. Finally the possible mechanism of new particle formation can be deduced from the changes of the concentration of molecules - clusters - particles obtained from experiments and theories.

新粒子生成对气候变化和空气质量都有重要影响，然而对新粒子生成机理，尤其是气溶胶成核机理的认识尚不全面。目前对成核前体物的认识已经由硫酸-水成核推进到了硫酸-氨/胺类/有机酸以及高氧化有机物自行成核，然而对硫酸，氨，胺类与人为或生物排放的有机物的氧化物成核的相互作用的机理的认识尚不清楚。本项目拟基于氧化流动管结合高分辨质谱仪与宽范围粒谱仪解析新的成核前体物和颗粒物数谱分布，并改进已开发的耦合有基于量子化学热力学数据的团簇动力学的气溶胶动力学模型。最终通过对比实验与理论得到的分子-团簇-颗粒物的浓度变化来推测可能发生的新粒子生成机理。

新粒子生成产生的云凝结核数浓度在全球尺度上接近一半。另外，新粒子生成产生的颗粒物能够进一步生长致霾。因此，探究新粒子生成机理对气候变化和空气质量都有重要意义。本项目从三个方面在大气气溶胶成核领域进行研究：第一，创造性地提出了人工智能驱动的理论框架，并指出基于原有硬球碰撞模型下的酸碱成核速率低估数倍，同时也为新粒子生成模拟走向完全基于量子力学的最高精度指明了研究方向；第二，通过设计研发新型流动管实验装置，探究了有机酸增强的三元成核机制，并实现了理论与实验的闭合研究。第三，开展了系统而深入地多组分成核体系的理论计算工作，重点关注了有机酸增强的成核体系。项目取得的标志性成果是发表在国际知名杂志Nature Communications上的研究论文，本项工作为大气气溶胶成核模拟开辟了新的研究方向，即提出了实现成核模拟最高精度的研究思路，这也为未来应用于化学传输模式中的基于量子化学计算得到的成核参数化方案的高准确性奠定了研究基础。