中國核技術(shù)網(wǎng)訊：每每遇到霧霾鎖城，人們除了想方設(shè)法保護(hù)自己的同時(shí)，也希望科學(xué)家們能找到霧霾形成的原因，進(jìn)而渴望從根本解決這一問題。

近日，從中國科技大學(xué)傳來好消息，該校地球和空間科學(xué)學(xué)院教授沈延安帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與美國研究人員等合作，通過系統(tǒng)地測定華南氣溶膠的硫酸鹽、大氣中的二氧化硫以及代表性煤的穩(wěn)定硫同位素，初步鎖定了華南霧霾的“兇手”。

此項(xiàng)研究成果日前在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

煤與生物質(zhì)的燃燒是成因

“霧霾”兩個(gè)字雖經(jīng)常在一起被連用，兩者卻是兩個(gè)不同的概念：霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，而霾則是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ咏M成的。當(dāng)大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)并與霧氣結(jié)合在一起時(shí)，會(huì)降低天空能見度，成為霧霾。

“準(zhǔn)確地說，霧霾應(yīng)該叫氣溶膠，一般由硫酸鹽、硝酸鹽、有機(jī)碳和黑炭等組成。”沈延安在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)解釋道。

雖然成分可以分析，但是霧霾的形成原因復(fù)雜，比如汽車尾氣、工業(yè)排放、建筑揚(yáng)塵、垃圾焚燒等，都可能是造成霧霾天氣的“元兇”。當(dāng)需要分析的對(duì)象具體到某一地區(qū)時(shí)，研究人員則需要更多的手段來確定霧霾的成因。

為了弄清華南地區(qū)霧霾的成因，沈延安帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與美國同事合作，對(duì)穩(wěn)定硫同位素進(jìn)行高精度測定并探索其非質(zhì)量分餾信號(hào)的成因。

之所以選擇硫同位素進(jìn)行研究，是因?yàn)榱蛩猁}和硝酸鹽通常在霧霾中占有較大比重。“在沒有霧霾的天氣，硫酸鹽大約占?xì)馊苣z組成的10%或更低，但在霧霾的天氣，硫酸鹽能夠占?xì)馊苣z組成的20%甚至更高。”沈延安介紹說。

氣溶膠中的硫酸鹽源自二氧化硫和其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)生成，而二氧化硫則主要來源于煤與農(nóng)作物等生物質(zhì)的燃燒以及工業(yè)排放等。“先有二氧化硫然后生成硫酸，通過研究硫酸我們可以知道二氧化硫的來源。因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)來源由不同的硫同位素組成。”沈延安表示。

經(jīng)過研究，沈延安研究團(tuán)隊(duì)的初步研究結(jié)論是華南霧霾硫酸鹽的產(chǎn)生主要由生物質(zhì)和化石燃料燃燒形成。

創(chuàng)新方法解決難題

這次研究除了初步弄清華南霧霾的成因，沈延安等人還創(chuàng)立了一種針對(duì)霧霾成因的新的研究方法，即首次將放射性硫同位素(35S)與穩(wěn)定硫同位素(32S、33S、34S、36S)相結(jié)合。

硫酸的化學(xué)分子式是H2SO4，其中，硫包括32S、33S、34S、36S四種穩(wěn)定同位素和多種放射性同位素。“而在眾多放射性同位素中，我們選擇測定35S，來幫助研究33S和36S異常來源的原因。”沈延安說，“因?yàn)椴煌瑏碓吹亩趸蛑校蛲凰亟M成有顯著的差別，所以我們對(duì)穩(wěn)定硫同位素進(jìn)行高精度的測定，并探索其非質(zhì)量分餾信號(hào)成因，對(duì)正確認(rèn)識(shí)霧霾的物質(zhì)來源和形成機(jī)制具有指導(dǎo)意義。”

而從四種硫的穩(wěn)定同位素中重點(diǎn)討論33S、36S，是因?yàn)椴煌镔|(zhì)來源和傳輸途徑的硫酸鹽由不同的33S、36S同位素組成，沈延安等人也就依據(jù)這兩者的組成來推斷其成因。

“首先，33S與36S的研究結(jié)果證明了二次硫酸鹽形成于大氣的平流層，即地表以上12～50千米的范圍。”沈延安說。這是因?yàn)?3S異常組成只可能產(chǎn)生于平流層的光化學(xué)反應(yīng)。這說明華南的生物質(zhì)與化石能源的燃燒產(chǎn)生了大量的二氧化硫，這些二氧化硫有一部分進(jìn)入平流層，經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)生成硫酸然后沉降到12千米以下的對(duì)流層和地表。

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)36S與33S不存在相關(guān)性，這一結(jié)論也將華南地區(qū)霧霾成因指向了同一個(gè)罪魁禍?zhǔn)?mdash;—化石燃料和生物質(zhì)燃燒。“因?yàn)椋瑥睦碚撋现v，如果所有的二氧化硫都進(jìn)入平流層，那么我們就會(huì)觀測到33S和36S的異常信號(hào)，而這兩種異常應(yīng)該存在相關(guān)性，因?yàn)樗鼈兪怯赏环N光化學(xué)反應(yīng)生成的。”沈延安說。

但實(shí)際上，研究結(jié)果顯示36S與33S不相關(guān)。這說明它們的形成機(jī)制有區(qū)別，并不僅僅是平流層的光化學(xué)反應(yīng)，36S異常與硫氧化率及左旋葡聚糖、甘露聚糖、鉀離子等多種生物質(zhì)燃燒示蹤物豐度均呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

“解鎖”霧霾還需更多研究

沈延安等人的此次研究是首次利用四種硫的穩(wěn)定同位素與放射性硫同位素相結(jié)合的研究，在這之前，我國研究霧霾硫酸鹽來源的方法主要集中在含量測試上，即比較霧霾和非霧霾天氣化學(xué)組分的組成差別進(jìn)而推斷其物質(zhì)來源。

“這一手段對(duì)我們認(rèn)識(shí)霧霾的產(chǎn)生機(jī)制起到了很大的推動(dòng)作用。”沈延安表示，“但硫同位素的研究則能更清楚地辨別霧霾來源物質(zhì)的區(qū)別。”他舉了個(gè)例子，如果兩個(gè)相隔很遠(yuǎn)的地區(qū)同時(shí)出現(xiàn)霧霾天氣，且其中的硫酸鹽含量相同，那么如果只關(guān)注硫酸鹽含量就很難分清兩地霧霾的物質(zhì)來源是否相同，但如果分析硫同位素則能夠厘定兩者的異同。

只是目前利用硫的穩(wěn)定同位素與放射性硫同位素相結(jié)合的研究存在技術(shù)困難，全球只有大約8個(gè)實(shí)驗(yàn)室能夠進(jìn)行高精度的四種硫穩(wěn)定同位素測試，中國科技大學(xué)沈延安實(shí)驗(yàn)室就是其中之一。“我們實(shí)驗(yàn)室33S的測試精度好于十萬分之一。”沈延安補(bǔ)充道。

不過，沈延安也坦言，雖然在研究霧霾的物質(zhì)來源、傳輸途徑和成因機(jī)制等方面取得了一些新的結(jié)論和認(rèn)識(shí)，只是萬里長征走完了第一步。因?yàn)槟壳斑@項(xiàng)研究只是圍繞一個(gè)監(jiān)測站，因此從深度和廣度上還需要加強(qiáng)。但硫同位素的研究手段還可以擁有更廣闊的應(yīng)用前景，沈延安對(duì)此充滿信心。

首先，硫同位素的研究能夠根據(jù)不同物質(zhì)來源判斷硫同位素組成的不同，進(jìn)而判斷霧霾的物質(zhì)來源;其次，通過35S與四種穩(wěn)定硫同位素的結(jié)合測試，研究人員或許將厘清霧霾的物理運(yùn)移規(guī)律。“也就是說，我們應(yīng)該能夠查清霧霾在華南和華北之間以及亞洲國家之間的傳輸途徑。”沈延安解釋道。

雖然新方法剛剛起步，但是沈延安認(rèn)為，他們的初步研究已經(jīng)證明了這是一種行之有效的手段。“希望國內(nèi)外同行一道開展合作，更廣泛地研究霧霾的來源和形成機(jī)制。”

(中國核技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯：楊洋)