应用案例

Picarro G2103（ES&T ǀ 水溶性有机物的气相—气溶胶相分配：NH₃ 对 SOA 形成的促进作用）

发表时间：2024-04-17

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文章链接

https://doi.org/10.1021/acs.est.1c06855

关键词解释

水溶性有机物：water-soluble organic compounds (WSOC)

气相水溶性有机物：gas-phase WSOC (WSOCg)

气溶胶相水溶性有机物：aerosol-phase WSOC (WSOCp)

二次有机气溶胶：secondary organic aerosols (SOA)

分配因子或分配系数：partitioning coefficient (Fp = WSOCp/(WSOCp + WSOCg))

气溶胶液态水：aerosol liquid water (ALW)

研究背景

水溶性有机物作为有机气溶胶的重要组分，其向云、雾以及气溶胶相的气固分配是形成大气中二次有机气溶胶 (SOA) 的重要途径。WSOC种类繁多且复杂，传统研究方法主要是滤膜采样结合离线分析，难以开展气固两相高时间分辨率和长时间序列观测研究。为数不多的外场观测研究表明，WSOC 的气固分配行为取决于诸多因素，例如气象参数、气态化合物种类和颗粒相特性等。

由于中国农业源与非农业源的氨气排放较强，并且相较于欧美等发达国家，中国大气中的硫酸盐和硝酸盐浓度更高（尤其在冬季雾霾期间），使得大气中气溶胶液态水含量 (ALWC) 和气溶胶pH升高，这意味着污染物的颗粒相吸收在中国可能更为显著并促进二次有机气溶胶的形成。

因此，充分认识气态水溶性有机物的时空分布特征及其气固相转化机制，不仅对厘清SOA的形成机制和我国灰霾成因具有重要的科学意义，同时也能为控制我国大气污染和制定有效治理措施提供新思路。本研究首次在我国富氨大气条件下，初步研究WSOC气固分配特征及其影响因素，并揭示了NH₃在WSOC气固分配过程的关键作用以及对SOA形成的重要影响。

观测实验

观测实验地点：观测点位于崇明岛西部、长三角城市群下风区域的华东师范大学长江口湿地生态系统野外研究站（31°44′N，121°13′E），观测点周围没有明显的污染源，采样口位于离地6m高的屋顶上。

NH₃观测：使用 Picarro G2103 (光腔衰荡光谱 CRDS）以 1 秒的时间分辨率进行测量。

结果与研究意义

PM2.5 与NH₃：上海崇明冬季PM2.5日均浓度经常超过国家空气质量 I 级标准 -35 μg m^-3，表明细颗粒物污染依然严重。同时，时间序列图显示氨气与PM2.5的时间变化趋势相似，表明细颗粒物的形成可能与氨气有关。观测期间，NH3 平均浓度为 9.3 ± 4.0 μg m^-3，最大值超过 20 μg m^-3，大约是美国东南部农村地区的 10 倍，表明长三角地区的 NH₃ 污染严重。

相对湿度（RH）与WSOC气固分配（Fp）：为了进一步确定影响 WSOC 气固分配过程的关键因素，作者分析了 Fp 与气象条件（即 RH 和温度）、气溶胶酸度（pH）、气溶胶含水量（ALWC）和 NH₃浓度的相关性。由于重度雾霾事件大多发生在潮湿条件下，因此进一步研究了高相对湿度期间，ALWC、pH 和 NH₃ 通过 WSOC 水相分配对 SOA 形成的影响。

从上图 d 可以看出，在给定温度下，pH 值与 NH₃ 呈显著正相关，表明长三角地区富氨环境可能降低了气溶胶酸度，导致 WSOCp 随着 ALWC 和 pH 值的增加而明显增加（上图 e，f）。

NH₃对中国SOA空间分布的影响：从对全国四大城市群区的空间特征分析发现，在人为活动较少的西北地区氨气浓度最低，而农业活动较频繁的华北地区氨气排放量最高，且硝酸盐与WSOCp在细颗粒物中的占比与氨气浓度的变化特征一致，进一步揭示了氨气对SOA形成的重要影响。

NH₃对中国不同地区WSOCp分配的影响， (a)全国四大城市群区的PM2.5中硝酸盐和WSOCp占比，(b)气态氨气浓度的空间变化特征。

总结

NH₃作为大气中的主要碱性气体，在高湿条件下，一方面是通过改变气溶胶含水量和酸度影响WSOC气固分配，另一方面通过酸碱中和等液相反应促进WSOC的反应性吸收。

SOA是我国PM2.5 的重要组成，尤其是在雾霾期间。而氨气可以通过影响WSOC气固分配促进SOA的形成，因此控制氨气排放对于缓解我国大气污染是势在必行的。

Picarro高精度氨气分析仪介绍

Picarro G2103是一款高精度在线氨气分析仪。其业内领先的性能优势主要体现在：低检测限（ ppt 级别）、低漂移（一整月的连续工作中仅漂移了 ±0.5 ppb）、低吸附快响应（气体过道上应用了SilcoNert^® 涂层）、抗干扰气（对牲畜建筑物中常见的挥发性有机化合物没有干扰）、水汽校准（可报告准确的干摩尔分数，适用于潮湿环境条件，无需校正水的影响）、便携性（该分析仪尺寸小，功耗要求低）

鉴于以上Picarro氨气分析仪卓越的优势，欧洲空气中氨气计量项目、英国国家物理实验室、德国联邦物理技术研究院、芬兰气象研究所、德国环境部、美国国家海洋和大气管理局、上海环境科学研究院、中国计量院等国内外机构均采用Picarro的CRDS技术测量NH₃。

仪器性能参数如下：

致谢：感谢华东师范大学王格慧教授团队、文章第一作者吕少君博士对本文的专业支持！

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编辑：王继军

审核：韩一萱