海洋飞沫气溶胶的大气转化过程的实验室模拟研究

Sea spray aerosol (SSA), formed at the air-sea interface upon the rupturing of bubbles entrained by wave breaking, accounts for 40%-60% of the aerosols in Earth’s atmosphere. SSA is an important media between the atmosphere and ocean, and it plays a very important role for air-sea exchange processes. However, the uncertainty of the simulation of SSA flux in current global climate models could reach up to two orders of magnitudes, due to the lack of knowledge of the properties and reactivity of SSA, which is one of the largest uncertainties for climate prediction. In this project, we propose to set up a new apparatus to generate SSA, and simulate the formation and transformation processes in the laboratory. Combined with the techniques of photochemical smog chamber and infrared reflection-absorption spectroscopy, multiple online and offline measurements have been proposed to systematically measure and characterize the different properties of SSA, including formation mechanism, number concentration and size distribution, chemical composition, reactivity, secondary processes, optical properties, mixing state and morphology. This research aims to explore the effects of the composition of sea water and sea surface chemicals on SSA, and to find the key parameters controlling the formation and properties of SSA. The atmospheric transformation processes will be evaluated, and the environmental impact of SSA after atmospheric evolution will be studied thoroughly. The proposed research is helpful for the improvement of the simulation of SSA flux, and consequently, global climate modeling.

海洋飞沫气溶胶（SSA）在海气界面通过波浪破碎引起的气泡碎裂而产生，占地球大气气溶胶的40%-60%。SSA是大气和海洋之间的重要媒介，对海气交换等过程起着非常重要的作用。由于对SSA的性质及其反应活性缺乏认识，目前的全球气候模式对SSA通量的模拟误差可达两个数量级，是气候预测最大的不确定因素之一。本项目拟搭建一套模拟SSA产生的装置，在实验室模拟SSA的产生及转化过程，结合光化学烟雾箱和红外反射吸收光谱技术，采用多种在线及离线手段对SSA的产生机理、数浓度、粒径分布、化学组成、反应活性、二次转化过程、光学性质、混合状态、形貌特征等进行全面测试与表征，探究海水和海洋表层化学成分对SSA的影响，找到控制SSA生成及性质的关键因素，评估SSA的大气转化过程并深入研究经过大气演化后SSA的环境效应。本研究将有助于进一步修正SSA的通量模拟，完善全球气候模型。

为了探究海洋飞沫气溶胶（SSA）的性质及大气转化过程，本项目通过搭建模拟SSA产生的装置，结合光化学烟雾箱和红外反射吸收光谱技术，研究了SSA的化学组成与二次转化过程之间的相互作用与联系。主要的研究结果如下：（1）根据SSA的产生机理，自主研发鼓泡式和射流式海洋飞沫气溶胶发生装器并稳定运行，由此开展一系列海洋表面活性物质、糖类等有机组分对海洋气溶胶生成、海水表面张力的改变以及其通过SSA在海-气界面富集行为的研究，明确了有机物对SSA生成效率、形貌特征的作用机制，进而评估了有机物的分子量、分子结构等对其在海-气界面转移过程的影响，为SSA的大气老化过程提供了重要的研究基础和依据。（2）利用Langmuir槽表面技术研究了有机涂层的界面行为，明确海水亚相中的离子、pH值、烷基链长度及饱和度均会影响界面脂质与海水之间的相互作用。此外，结合红外反射吸收光谱系统研究了有机脂类在海-气界面的构象和取向，界面行为的研究结果有助于深入探究海洋微表层和SSA的大气过程。（3）在受控的烟雾箱装置内，对海洋植物释放的β-蒎烯在大气中的臭氧化和光氧化进行了探测，并结合红外光谱对新生成的官能团进行指认，证明了O3的增加可能进一步加强夜间臭氧化在产生含氮和含硫颗粒化合物中的重要性。该项目有助于将 SSA的产生、演化和二次反应等参数化，提高对SSA的气候和环境效应的深入认识。在本项目的资助下，在Environ. Sci. Technol.、Atmos. Chem. Phys.、J. Geophys. Res.: Atmospheres等大气和环境化学权威期刊共发表学术论文22篇，其中SCI收录论文21篇；申请发明专利3项（已授权2项），其中1项专利已实现成果转化。项目执行过程中，培养了2名博士后，5名博士生和4名硕士生。