海岸、海洋大气中新颗粒在10nm和20-50nm出现增长瓶颈的物理化学机制

Theoretically, there is no ceiling for the growth of >3 nm new particles. These >3nm particles are commonly believed to be able to continuously grow up to the size required to be activated as cloud condensation nuclei and affect the climate unless they are removed from the atmosphere. However, this is not case when we analyze over 100 new particle formation events observed in coastal, marine and continent atmospheres. We find that a ceiling at 10 nm sometime occurred in the growth of new particles, i.e., new particles stopped the growth at ~10 nm. In general, new particles stopped the growth at 20-50 nm in daytime. However, they can grow again at nighttime in some cases. The ~10 nm and 20-50 nm ceilings are unexpected and limit our understanding of the relationship between new particles and the climate. Building on our previous studies, we speculate that the ~10 nm ceiling could be related to the thermodynamic force, i.e., the mixing ratio of some chemicals which drive the growth of 10 nm new particles was less than the surface vapor pressure required for their gas-particle condensation. The key question is what these chemicals are. There were no clear clues for the 20-50 nm ceiling observed in our previous studies. We propose a few hypotheses for the ceilings. In the study, we propose through a series of intensive field measurements to determine these chemicals driving the growth of 10 nm new particles and to examine the hypotheses for the observed ceiling at 20-50 nm in the new particle growth.

理论上，大气核化产生的新颗粒增长至3nm以上不会存在增长瓶颈。一般认为>3nm的新颗粒会不断增长至云凝结核所需要的粒径，间接影响气候，除非这些新颗粒中途被其他过程清除。我们对海岸、海洋和内陆大气中100多次新颗粒爆发、增长事件分析发现，新颗粒有时增长到10nm停止增长，出现增长的瓶颈；新颗粒一般增长至20-50nm时停止增长，尽管有时在夜晚发生二次增长。观测到的这些增长瓶颈限制了我们对新颗粒如何影响气候的理解。建立在前期研究的基础上，我们分析新颗粒在10nm处的增长瓶颈可能原因是-决定10nm新颗粒增长的化学物质的气态浓度低于其发生气-粒凝结需要的饱和蒸汽压，那么这些化学物质是什么？20-50nm处增长瓶颈对应的物理化学机制不清楚，我们根据现有观测提出几种机制猜想。本建议书拟通过强化观测实验，揭示决定10nm新颗粒增长的化学物质是什么；验证导致在20-50nm处出现增长瓶颈的机制猜想。

本课题旨在揭示在不同的大气环境中，新颗粒在后续增长过程中大概率存在的增长瓶颈问题，即在10nm及20-50nm出现增长停滞。通过对比分析海洋、海岸和内陆大气中新颗粒爆发、增长事件，一定程度上揭示了新颗粒增长出现瓶颈的物理化学机制，也分析了其潜在的气候效应。科学发现包括以下几个方面。.(1) 分析了2017年南海海洋大气颗粒物粒径及数浓度分布特征。观测到7个强新颗粒事件，这些新颗粒事件均出现新颗粒中值粒径稳定在10 nm左右，且无明显的增长。对比分析了西北太平洋及南海海岸城市香港大气中新颗粒特征，认为南海大气中新颗粒是由海洋源诱导的，其他海域新颗粒的增长是由陆源传输气团引起的。.(2) 对陆地观测三种增长型新颗粒进行了深入研究。结果表明有机物和硝酸铵被认为是新颗粒增长的主要贡献者，但硝酸铵可能只在傍晚和/或夜间促进其生长。一定程度提升我们对新颗粒增长为云凝结核的认知。.(3) 新粒子增长可直接影响云凝结核数浓度，具有潜在气候效应。分析了2014年春季西北太平洋海洋大气中的颗粒物数浓度和云凝结核数浓度，发现数浓度比20年前高出一个数量级。同时发现在西北太平洋的高空可能存在核模态的粒子池。在月时间尺度上，生物质燃烧和沙尘气溶胶对西北太平洋的颗粒物和云凝结核贡献较小，约为10%。这一量化结果为研究陆源输送大气污染物在海洋大气中的间接气候效应提供重要观测依据。.(4) 在2018年近海航次观测中发现，有机物在海洋上空有很大程度的降解，导致无机气溶胶成为CCN贡献的主体。生物质燃烧对0.2%的和0.4%过饱和度下的CCN贡献很小, 对1.0%过饱和度下的CCN有显著贡献。我们为从海洋大气中SO2浓度估算Ncn和Nccn提供了参数化方案。.(5) 氨气和有机胺气体均可参与新颗粒的成核及后续增长，作为氨气和有机胺气体对新颗粒的成核研究的阶段性成果，我们发现我国边缘海至西北太平洋大气不同粒径颗粒物中二甲胺（DMA+）和三甲胺（TMA+）存在双模态结构。此外，我们评估了沿海城市冬季大气中汽车尾气及其他潜在源对高浓度氨气的相对贡献。