氮氧同位素示踪灰霾期硝酸盐的生成机制

Nitrate is one of the fastest growing and the most abundant inorganic ions in haze. The main processes of atmospheric nitrate formation are homogeneous reaction and heterogeneous reaction, but the rapid accumulation of nitrate during the haze period is still unclear. In this project, we simultaneously collected size-segregated aerosol, and gas phase NO2, HNO3 and NH3 both in Beijing and Nanchang city in different seasons, and analyzed the concentrations of aerosol inorganic ions and gases. By comparing the δ15N of NO2, HNO3 and aerosol NO3-, and δ18O-NO2, δ18O and Δ17O of aerosol NO3- and gas phase HNO3, using the characteristic of NOx nitrogen isotope fractionation during the atmospheric chemical processes, uniting the significant differences of δ18O of O3, OH and H2O which participate the different processes of nitrate formation, to explore the mechanism of nitrate formation during the haze period. Together with the meteorological conditions such as relative humidity and solar irradiation, δ15N of NH3 and NH4+, using varies of isotopic technologies and study methods to investigate the mechanism of the rapid accumulation of nitrate during the haze period, and provide a scientific basis for the prevention of air pollution.

硝酸盐是灰霾中增长速度最快并且是灰霾中最主要的无机组分之一。大气中硝酸盐主要通过单相反应和多相生成，但其在灰霾期的快速累积机制还不确定。本项目拟在北京和南昌城区，分季度和日夜同步采集不同粒径气溶胶，大气中气态NO2、HNO3和NH3，分析气溶胶无机离子组成和气体浓度。通过对比清洁天和灰霾期NO2、HNO3和气溶胶NO3-的δ15N值，以及δ18O-NO2值，HNO3和气溶胶NO3-的δ18O值和Δ17O值，利用NOx在大气过程中氮同位素的分馏特征，联合硝酸盐不同生成路径中参与的O3、OH和H2O氧同位素值的显著差异，探讨灰霾期硝酸盐的生成过程。结合相对湿度和太阳辐射强度等气象条件，NH3和NH4+氮同位素值，利用多种同位素手段和研究方法，从不同角度探讨灰霾期硝酸盐的快速累积机制，为大气污染防治提供科学依据。

在我国部分城市气溶胶中，硝酸盐已经取代硫酸，成为主要的酸性离子，且能引起灰霾的形成。本项目主要在南昌市和北京市围绕硝酸盐来源和形成机制展开研究。基于硝酸盐氮同位素值、不同排放源释放氮氧化物的氮同位素值和贝叶斯同位素模型，量化了北京春季供暖期前后气溶胶硝酸盐源的相对贡献，为北京市硝酸盐气溶胶的防控提供了科学参考。基于硝酸盐形成过程中氧同位素的分馏效应，结合不同硝酸盐形成路径的不同氧同位素值和贝叶斯混合模型，对比量化了考虑氧同位素分馏达到平衡和氧同位素分馏未达平衡两种情况下北京春季不同硝酸盐形成路径对二次硝酸盐的贡献量；该研究首次量化了氧同位素分馏对利用氧同位素示踪硝酸盐形成路径的影响，也首次将同位素贝叶斯模型引入硝酸盐形成机制量化研究中。通过分析南昌市全年气溶胶水溶性离子组成和硝酸盐氮氧同位素值、估算不同月份大气中OH自由基浓度和不同路径生成硝酸盐的氧同位素值，同时对比分析水溶性离子浓度和氮氧同位素值，从季节尺度评估了南昌市二次硝酸盐形成路径的季节变化规律。通过昼夜采集南昌大气干沉降样本，并分析样本中硝酸盐的氮氧同位素组成，发现南昌夏季硝酸盐的形成机制存在明显的昼夜差异，从观测角度验证了硝酸盐的昼夜形成路径不同。分析了不同季节石家庄不同PM2.5水平下硝酸盐的氮氧同位素组成特征，探讨了不同PM2.5水平下硝酸盐形成路径的转化机制，解析了高PM2.5水平下硝酸盐的快速累积机制，该研究对深入理解河北地区高硝酸盐污染提供参考依据。