人为源排放气溶胶中铁的溶解机制及含铁颗粒混合状态

Soluble iron over the mainland area has a threat to human health and ecological systems, when deposition to the ocean surface, iron is a limiting micronutrient for the growth of plankton. Although iron from anthropogenic aerosol mixed with acidic aerosol components can lead the phenomenon of “acid iron dissolution” and increase the solubility of iron, the processes, related influence factors and amount of produced soluble iron of the “acid iron dissolution” are still limited in the field observation. This project will select downwind of Nanjing industrial pollution area as a source site, Huangshan as a high-altitude site and Zhoushan as a Land-sea boundary site to collect individual particle and different size aerosol samples in both polluted and clean cases. Using the whole sample analysis method, the concentrations of total iron, soluble iron, acidic inorganic ions and dicarboxylic acids are obtained. Using the single particle analysis method, morphology, size, chemical composition and mixing state of iron-containing particles are obtained. According to these data, we can identify the correlation between iron solubility and aerosol size, concentration variations of total iron and acidic aerosol components, the aging mechanism of iron-containing particle. Moreover, combination with aerosol cloud multiphase chemical model, we can evaluate the impact of atmospheric chemical reactions during the long-range transport on iron solubility.

溶解态铁在大陆上空可对人体健康和生态系统造成威胁，进一步沉降至海洋表面又是浮游生物生长的一种限制性微量营养元素。尽管人为源排放气溶胶中的铁与酸性气溶胶组分混合能够发生“铁酸溶”现象增加铁的溶解度，然而针对其发生的过程、相应的影响因素及溶解态铁释放的量等在外场观测中仍待研究。本项目选取长三角地区的南京工业污染区下风向、黄山山顶和舟山市分别代表源排放、高空和海-陆边界站点，在典型污染天和清洁天采集单颗粒和不同粒径气溶胶样品，利用全样分析方法获取不同功能采样点总铁、溶解态铁、酸性无机离子和二元羧酸的质量浓度，采用单颗粒分析方法识别含铁颗粒的形貌、粒径分布、化学成分和混合状态，进而理解铁溶解度与气溶胶粒径、总铁和气溶胶酸性组分浓度变化以及含铁颗粒发生的老化现象之间的关系，进一步结合气溶胶-云多相化学模式，探讨长距离输送过程中发生的大气化学反应对铁溶解度的影响机制。

气溶胶颗粒中的铁是海洋生态系统获取铁营养元素的主要外部来源，而且对人类健康也存在严重的潜在威胁，而这些影响很大程度上取决于铁的溶解度。因此，研究气溶胶中铁的溶解度及其影响因素具有重要的科学意义。本项目首先对中国东部城市站点（北京市、邯郸市、郑州市和杭州市）大气细颗粒中铁的溶解度及其影响因素进行了研究。结果表明，4个城市站点铁的溶解度分别为5.0%，4.5%，2.7%和3.0%。单颗粒分析结果显示，65%以上的含铁颗粒与硫酸盐和硝酸盐混合。而且，硫酸盐或硝酸盐/总铁的摩尔比与铁溶解度存在较高的相关性（r>0.70）。这些结果表明，气溶胶酸化对铁的溶解有重要作用。另外，当相对湿度（RH）<50% 时，硫酸盐或硝酸盐对铁溶解度的影响较RH>50%时弱，表明RH可以间接影响铁的溶解度。其次，我们分析了杭州市城市站点5种不同天气条件下（雾天、灰霾天、沙尘天、清洁天和雨天）大气细颗粒中铁的溶解度，进一步研究了影响铁溶解度的因素。结果表明，铁溶解度在雾天（6.3%）最大，其次是灰霾天（4.6%）、沙尘天（2.1%）、清洁天（1.7%）和雨天（0.8%）。来源分析结果显示，工业排放在雾天（72.4%）和灰霾天（65.4%）是溶解铁的最大贡献者，导致铁的溶解度较高。二次来源在雾天（16.5%）和灰霾天（16.1%）对溶解铁也有明显贡献，单颗粒分析结果进一步表明，在雾天和灰霾天，超过76%的含铁颗粒与二次酸性气溶胶颗粒内部混合，导致铁的酸溶解。另外，与其他天气相比，雾天RH最高（>90%），导致更有效的气溶胶酸化和更高的铁溶解度。最后，我们对气溶胶中铁的粒径变化及其对铁溶解度的影响进行了研究。结果表明，在城市、大气本底和海-陆边界站点，细模态铁的溶解度分别比粗模态铁的溶解度高3.5、3.2和4.3倍。而且铁的溶解度在3个采样点无论呈双峰还是三峰分布，其主峰均在细模态，峰值大部分位于1.0 - 0.56 μm或0.32 - 0.18 μm。铁溶解度与工业源和交通源示踪元素以及二次来源示踪离子的粒径分布和峰值位置相似，暗示铁溶解度的粒径依赖性与铁的来源差异及其酸性过程有关。