大气环境中黑碳在臭氧(O3)作用下的老化过程研究

对黑碳在大气中的老化过程进行研究是当前黑碳气溶胶研究方面的一个热点问题，对分析黑碳的气候和环境效应具有重要的意义。在本课题中，申请者从3个方面系统地研究了黑碳在臭氧(O3)作用下的老化过程：（1）黑碳粒子在臭氧作用下，其物理化学特性和结构的变化规律，获得反应的动力学参数。（2）全面系统地研究黑碳经过臭氧氧化后的物理化学特性、组成和结构的改变等。（3）研究表面覆盖（coating）对黑碳与O3氧化反应的影响。这一研究可解决黑碳在大气漂移过程中一个重要的反应过程问题。为我们正确理解黑碳在大气中的气候和环境效应，评估它们的化学活性、云凝聚核心活性、辐射性质和健康效应等都是非常重要的。

在大气环境中，对黑碳的老化过程进行研究对于理解黑碳的气候和环境效应具有重要的意义。本课题主要针对黑碳在臭氧作用下的老化过程进行了系统研究，获得了一些重要的成果：（1）以新鲜黑碳物质为目标参考物，对黑碳与臭氧的非均相反应进行研究，获得了黑碳颗粒老化后其物理化学性质和结构的变化特征。结果显示，老化后黑碳的元素组成都表现为碳含量降低，氧元素含量升高，O/C原子比明显升高，并且表面变化更为明显。另外XPS分析也显示黑碳经臭氧氧化后其表面的含氧官能团明显增加。（2）系统研究了老化前后黑碳上水溶性有机化合物（WSOC和HULIS）的含量、组成和化学结构的变化，并且以柴油车排放黑碳为参考物，详细研究了其在不同臭氧浓度以及不同氧化时间下，颗粒上水溶性有机化合物的含量、组成和化学结构的变化规律。定量结果显示，除了草本黑碳，其他三种黑碳经过臭氧氧化后，WSOC和HULIS含量明显升高。另外紫外-可见吸收光谱和三维荧光光谱分析显示不同类型的黑碳，经过臭氧氧化后，水溶性有机质的演化特征是不同的。（3）在实验室条件下制备了水稻秸秆、玉米秸秆、松木树枝、褐煤燃烧的黑碳颗粒样品，同柴油车排放黑碳一起开展了相关水溶性有机质HULIS的化学组成、性质和结构的研究。结果显示一次排放黑碳中水溶性HULIS对大气颗粒中的有机质具有重要的贡献，并且这些一次排放黑碳中的水溶性有HULIS具有与大气气溶胶中的HULIS类似的化学组成和结构，同时也具有芳香性较高的特征。4）对广州地区气溶胶中HULIS含量、光谱特征和可能的来源等进行了研究，结果显示HULIS的含量呈现出一定的季节性差异：干季>湿季，可归因于不同季节气溶胶中HULIS组分来源或形成过程的不同。另外光谱学分析显示干季气溶胶中HULIS具有较多的高紫外吸收物质和多聚共轭芳香结构，这与珠三角地区干季较多的生物质燃烧事实相符。通过这些研究，我们基本了解黑碳在臭氧作用的老化过程，对我们正确理解黑碳在大气中的气候和环境效应等具有重要的作用。