中科大等锁定华南雾霾“元凶”

近日，从中国科技大学传来好消息，该校地球和空间科学学院教授沈延安带领团队与美国研究人员等合作，通过系统地测定华南气溶胶的硫酸盐、大气中的二氧化硫以及代表性煤的稳定硫同位素。

■本报记者 袁一雪

每每遇到雾霾锁城，人们除了想方设法保护自己的同时，也希望科学家们能找到雾霾形成的原因，进而渴望从根本解决这一问题。

近日，从中国科技大学传来好消息，该校地球和空间科学学院教授沈延安带领团队与美国研究人员等合作，通过系统地测定华南气溶胶的硫酸盐、大气中的二氧化硫以及代表性煤的稳定硫同位素，初步锁定了华南雾霾的“凶手”。

此项研究成果日前在线发表在国际学术期刊《美国科学院院刊》上。

煤与生物质的燃烧是成因

“雾霾”两个字虽经常在一起被连用，两者却是两个不同的概念：雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，而霾则是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子组成的。当大气中各种悬浮颗粒物含量超标并与雾气结合在一起时，会降低天空能见度，成为雾霾。

“准确地说，雾霾应该叫气溶胶，一般由硫酸盐、硝酸盐、有机碳和黑炭等组成。”沈延安在接受《中国科学报》记者采访时解释道。

虽然成分可以分析，但是雾霾的形成原因复杂，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧等，都可能是造成雾霾天气的“元凶”。当需要分析的对象具体到某一地区时，研究人员则需要更多的手段来确定雾霾的成因。

为了弄清华南地区雾霾的成因，沈延安带领研究团队与美国同事合作，对稳定硫同位素进行高精度测定并探索其非质量分馏信号的成因。

之所以选择硫同位素进行研究，是因为硫酸盐和硝酸盐通常在雾霾中占有较大比重。“在没有雾霾的天气，硫酸盐大约占气溶胶组成的10%或更低，但在雾霾的天气，硫酸盐能够占气溶胶组成的20%甚至更高。”沈延安介绍说。

气溶胶中的硫酸盐源自二氧化硫和其他物质的化学反应生成，而二氧化硫则主要来源于煤与农作物等生物质的燃烧以及工业排放等。“先有二氧化硫然后生成硫酸，通过研究硫酸我们可以知道二氧化硫的来源。因为不同的物质来源由不同的硫同位素组成。”沈延安表示。

经过研究，沈延安研究团队的初步研究结论是华南雾霾硫酸盐的产生主要由生物质和化石燃料燃烧形成。

创新方法解决难题

这次研究除了初步弄清华南雾霾的成因，沈延安等人还创立了一种针对雾霾成因的新的研究方法，即首次将放射性硫同位素（35S）与稳定硫同位素（32S、33S、34S、36S）相结合。

硫酸的化学分子式是H2SO4，其中，硫包括32S、33S、34S、36S四种稳定同位素和多种放射性同位素。“而在众多放射性同位素中，我们选择测定35S，来帮助研究33S和36S异常来源的原因。”沈延安说，“因为不同来源的二氧化硫中，硫同位素组成有显著的差别，所以我们对稳定硫同位素进行高精度的测定，并探索其非质量分馏信号成因，对正确认识雾霾的物质来源和形成机制具有指导意义。”

而从四种硫的稳定同位素中重点讨论33S、36S，是因为不同物质来源和传输途径的硫酸盐由不同的33S、36S同位素组成，沈延安等人也就依据这两者的组成来推断其成因。

“首先，33S与36S的研究结果证明了二次硫酸盐形成于大气的平流层，即地表以上12～50千米的范围。”沈延安说。这是因为33S异常组成只可能产生于平流层的光化学反应。这说明华南的生物质与化石能源的燃烧产生了大量的二氧化硫，这些二氧化硫有一部分进入平流层，经过光化学反应生成硫酸然后沉降到12千米以下的对流层和地表。

除此之外，研究团队还发现36S与33S不存在相关性，这一结论也将华南地区雾霾成因指向了同一个罪魁祸首——化石燃料和生物质燃烧。“因为，从理论上讲，如果所有的二氧化硫都进入平流层，那么我们就会观测到33S和36S的异常信号，而这两种异常应该存在相关性，因为它们是由同一种光化学反应生成的。”沈延安说。

但实际上，研究结果显示36S与33S不相关。这说明它们的形成机制有区别，并不仅仅是平流层的光化学反应，36S异常与硫氧化率及左旋葡聚糖、甘露聚糖、钾离子等多种生物质燃烧示踪物丰度均呈现强相关性。

“解锁”雾霾还需更多研究

沈延安等人的此次研究是首次利用四种硫的稳定同位素与放射性硫同位素相结合的研究，在这之前，我国研究雾霾硫酸盐来源的方法主要集中在含量测试上，即比较雾霾和非雾霾天气化学组分的组成差别进而推断其物质来源。

“这一手段对我们认识雾霾的产生机制起到了很大的推动作用。”沈延安表示，“但硫同位素的研究则能更清楚地辨别雾霾来源物质的区别。”他举了个例子，如果两个相隔很远的地区同时出现雾霾天气，且其中的硫酸盐含量相同，那么如果只关注硫酸盐含量就很难分清两地雾霾的物质来源是否相同，但如果分析硫同位素则能够厘定两者的异同。

只是目前利用硫的稳定同位素与放射性硫同位素相结合的研究存在技术困难，全球只有大约8个实验室能够进行高精度的四种硫稳定同位素测试，中国科技大学沈延安实验室就是其中之一。“我们实验室33S的测试精度好于十万分之一。”沈延安补充道。

不过，沈延安也坦言，虽然在研究雾霾的物质来源、传输途径和成因机制等方面取得了一些新的结论和认识，只是万里长征走完了第一步。因为目前这项研究只是围绕一个监测站，因此从深度和广度上还需要加强。但硫同位素的研究手段还可以拥有更广阔的应用前景，沈延安对此充满信心。

首先，硫同位素的研究能够根据不同物质来源判断硫同位素组成的不同，进而判断雾霾的物质来源；其次，通过35S与四种稳定硫同位素的结合测试，研究人员或许将厘清雾霾的物理运移规律。“也就是说，我们应该能够查清雾霾在华南和华北之间以及亚洲国家之间的传输途径。”沈延安解释道。

虽然新方法刚刚起步，但是沈延安认为，他们的初步研究已经证明了这是一种行之有效的手段。“希望国内外同行一道开展合作，更广泛地研究雾霾的来源和形成机制。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1803420115