摘要：提出了有機碳氣溶膠的研究意義，綜述了有機碳氣溶膠的化學(xué)組成、來源及排放和環(huán)境與健康效應(yīng)（包括輻射效應(yīng)、散光效應(yīng)、健康效應(yīng)），并根據(jù)國外有關(guān)有機碳氣溶膠研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢提出未來的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：有機碳  化學(xué)組成  來源   排放  環(huán)境與健康效應(yīng)

大氣中懸浮的氣溶膠粒子，是由硫酸鹽、硝酸鹽、含碳粒子、海鹽和礦物塵等組成的混合體，不僅對人體健康、能見度具有重要危害，而且對全球和區(qū)域氣候與環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生著顯著影響。由于對人體健康的危害、直接和間接的氣候效應(yīng)、影響降水酸度、光化學(xué)煙霧、參與全球生物地球化學(xué)循環(huán)、降低能見度等，大氣中的碳氣溶膠（Carbonaceous Aerosol）越來越受到科學(xué)家的關(guān)注[1,2]。據(jù)報道，與碳氣溶膠有關(guān)的東南亞森林火災(zāi)等引發(fā)的大氣灰霾（Haze）在南亞每年就可導(dǎo)致50萬人早死。

碳氣溶膠分為有機碳（Organic carbon，OC）和元素碳（Elemental Carbon，EC（或稱黑碳，BC））兩種，其中OC是大氣氣溶膠的重要組成成分，在污染嚴(yán)重的地區(qū)（尤其在城市中），OC一般占到PM2.5質(zhì)量的10％～70％[3-5]。區(qū)域大氣中OC的測量較少，其值為0.1～5.0 µg/m3[6-9]；城市大氣中的OC測量相對多一些，特別是在歐、美等發(fā)達國家，由于機動車等的影響，OC的含量明顯偏高，約4～30 µg/m3[10-12]。區(qū)域大氣中的OC/EC比值一般大于3.0，可達10.0以上。城市大氣中的OC/EC比值一般為1.0～4.0，OC通常代表碳氣溶膠組分的50%以上；OC/EC比值大于2.0，表示已有SOC（二次有機碳氣溶膠）的出現(xiàn)。

OC氣溶膠能在環(huán)境大氣中存在數(shù)天至數(shù)星期，全球平均數(shù)為3～7 d[13]、3.9～4.5 d[14]，由此可能擴散至數(shù)百至上千公里外。OC的存在時間相對于EC較短，是因為其天然的親水性導(dǎo)致其濕沉降[15]。

目前在環(huán)境大氣中還不清楚碳氣溶膠中OC所占比例的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，有關(guān)碳氣溶膠的賦存狀態(tài)、水溶性、組成、形成機制及有關(guān)化合物的分子標(biāo)志物等的詳細信息則更為缺乏。

近年來國內(nèi)外有關(guān)碳氣溶膠的研究論文已呈顯著增長的趨勢，碳氣溶膠及其氣候和環(huán)境效應(yīng)研究已成為當(dāng)前國際大氣化學(xué)研究的熱點之一，是氣溶膠領(lǐng)域最有前景的研究發(fā)展方向之一。

1  OC的化學(xué)組成

大氣中的有機碳是具有多種化學(xué)性質(zhì)和熱動力學(xué)性質(zhì)的上百種、或許上千種單個有機物的聚合體，多數(shù)由氣態(tài)污染物通過凝聚過程轉(zhuǎn)化而來，種類繁多，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，一般包括有：脂肪類，芳香族類化合物，酸，烷烴等。城市大氣中的有機碳主要是芳香族、多環(huán)芳香族（PAH）的碳氫化合物[16]；許多有機物存在于氣相和固相之間，其存在形態(tài)直接受到環(huán)境溫度、相對濕度、吸附特征以及有機物種類化學(xué)性質(zhì)等的控制。大氣中的有機碳常和其它元素或化合物有關(guān)聯(lián)，主要是氧、氮、硫、鹵素和金屬。

通常的，大約有10%的OC氣溶膠單體能確認(rèn)，40%可提取出但不能確定其具體的化合物，另50%是不可提取的。OC氣溶膠一般和EC氣溶膠共生，并有被EC吸附的傾向，進而增強氣溶膠的毒性。OC的粒徑一般為0.1～2.5 µm，在1.0 µm附近的比例最大；其密度約為1.5 g/cm3。

2  OC的來源及排放

OC既可以顆粒物的形式由排放源直接釋放形成（一次有機碳氣溶膠，POC），也可以在大氣中由前體物經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)而形成[17,18]（二次有機碳氣溶膠，SOC）。POC主要來源于富含碳燃料的低溫條件下的不完全燃燒過程（如化石燃料燃燒、生物質(zhì)燃燒）、非燃燒過程（主要指生物體、植物殘片、土壤形成腐殖質(zhì)等過程）。當(dāng)大氣中有機氣體的濃度超過其飽和度時，低氣壓的可揮發(fā)性有機物可凝結(jié)在顆粒物上形成SOC；另外在亞飽和狀態(tài)下，由氣態(tài)有機物在顆粒物表面以物理或化學(xué)吸附方式也可形成SOC。自然源和人為源均可產(chǎn)生POC，也可形成SOC。由于目前還沒有較為簡單直接的方法，POC和SOC的分離是件困難的工作，一般通過碳同位素的組成（14C/12C）來確定[8]。

中國地處東亞地區(qū)，面積廣大，由于經(jīng)濟水平相對落后和生活習(xí)慣等原因，大量使用煤和生物質(zhì)作燃料，被認(rèn)為是排放OC的全球第一大戶[13,14,19]，而且由于其獨特的地理位置及社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，使其排放量的變化（如年變化、季變化、月變化等）也較大，很難較準(zhǔn)確地確定。JACOBSON等[1]的研究明確指出限制中國及東南亞國家碳氣溶膠的排放是當(dāng)前減緩全球氣候變暖的最有效途徑之一；即將進行的IPCC第4次科學(xué)評估報告（2007年）已把中國的碳氣溶膠研究列為一個重點，這些都對我國的環(huán)境外交形成了巨大壓力，也是對我國的經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙。顯然，中國區(qū)域碳氣溶膠的網(wǎng)絡(luò)觀測、排放及輸送、氣候效應(yīng)的數(shù)值模擬研究不僅是近幾年我國、國際大氣化學(xué)和全球變化研究的一個焦點的科學(xué)問題，也將是一項關(guān)系到國家安全和利益的實際研究工作。

3  OC的環(huán)境、氣候及健康效應(yīng)

3.1  OC的輻射效應(yīng)

OC能吸收硫酸鹽和硝酸鹽而改變其吸濕特征，使這些氣溶膠對大氣中云凝結(jié)核（CCN）數(shù)目濃度有較大貢獻，因此OC可以直接或間接地影響地球輻射平衡，對全球氣候變化起到重要作用，成為氣候預(yù)測中最不確定的因子之一[20]。一般認(rèn)為，OC的輻射強迫效應(yīng)為－1.00～－0.20 W/m，IPCC[20]估計OC的輻射強迫效應(yīng)為－0.41 W/m2，但由JACOBSON得到的值僅為－0.04～－0.06 W/m2，這也許是OC和EC混合后，EC的吸光效應(yīng)得到了增強；JACOBSON等[1]同時認(rèn)為，減少化石燃料燃燒排放出的BC和OC，可能比減少CO2能更有效的降低全球變暖的趨勢。TAKEMURA等[21]經(jīng)過模擬，預(yù)測2050年時，東亞地區(qū)晴天OC的輻射強迫效應(yīng)為－0.32～－0.46 W/m2，陰天為－0.70～－0.96 W/m2。

3.2  OC的散光效應(yīng)

OC氣溶膠會降低大氣的能見度（有散光作用），會對藝術(shù)美景產(chǎn)生影響，進而影響旅游經(jīng)濟。

Potter在美國Wyoming的觀測分析認(rèn)為，OC對能見度的減弱在晴朗天和灰霾天都占全部污染物的27%。Reddy在印度的研究指出，OC對能見度的減弱占全部污染物的26%[15]。KIM等[9]在韓國的觀測表明，OC對能見度的減弱占全部污染物的12%。

3.3  OC的健康效應(yīng)

已有證據(jù)表明，OC氣溶膠可引起刺激或過敏反應(yīng)，并在動物實驗中發(fā)現(xiàn)有致癌性和致畸性。由于OC包含多種有毒成份，所以暴露在較高的OC濃度下，老年人發(fā)生早亡及心臟系統(tǒng)疾病的幾率大大增加，尤其是當(dāng)他們本身已經(jīng)有心臟或呼吸系統(tǒng)疾病時；兒童則表現(xiàn)為較高的呼吸系統(tǒng)疾病及肺部功能下降；一些哮喘病患者等則會加重癥狀。

4  研究前景及建議

雖然OC氣溶膠的研究在國際上日益受到關(guān)注，也取得了一些進展，但許多方面仍處于研究的初級階段，許多基本性的問題還沒有解決，有待于進一步的深入工作。國際上碳氣溶膠的研究有以下發(fā)展趨勢：

（1） 多學(xué)科交叉研究的深度和廣度在加強：如描述碳氣溶膠物理、化學(xué)過程的耦合氣候模式在發(fā)展；碳氣溶膠和其它氣溶膠、痕量氣體的交叉反應(yīng)、相互驅(qū)動等等。

（2） 注重區(qū)域響應(yīng)研究：利用長序列的實際觀測資料和模型預(yù)測相結(jié)合的方法，校驗排放清單的準(zhǔn)確性和模型的可靠性；分析比較城市和潔凈地區(qū)顆粒物中碳氣溶膠的含量，開發(fā)區(qū)域響應(yīng)模式；通過地質(zhì)記錄，揭示過去數(shù)十年至數(shù)百年的碳氣溶膠排放強度及分布。

（3） 開發(fā)新的、可靠的碳氣溶膠觀測、分析儀器：通過在相同區(qū)域進行的大量實測，對比各種分析儀器的精度、可靠性；積極開發(fā)新的、可靠的在線碳氣溶膠觀測、分析儀器。

我國關(guān)于碳氣溶膠的研究處于起步階段，基礎(chǔ)不深，各方面的信息、資料較少，缺乏系統(tǒng)性，只有通過持續(xù)的研究，才能取得有較高國際水準(zhǔn)的成果。根據(jù)國際有關(guān)碳氣溶膠研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，以下幾點應(yīng)是未來的主要研究方向：

4.1  時空分布特征觀測

通過整合國內(nèi)的觀測、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建立高效、準(zhǔn)確的碳氣溶膠觀測網(wǎng)，弄清碳氣溶膠的區(qū)域空間分布特征和物化特征；通過長期的觀測，了解碳氣溶膠的區(qū)域時間變化特征及變化趨勢。上述工作將為進一步開展科學(xué)研究提供翔實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2  排放源清單編制

目前關(guān)于OC氣溶膠對氣候、環(huán)境的影響已有全球模擬的各種模式[1,13,14,21]，但是，OC氣溶膠的排放清單卻相差較大，以中國為例，人為源排放量為1.540～3.385×106 t/a，但部分作者又認(rèn)為其誤差可能高達±495%[20]。如何準(zhǔn)確地編制各種模式進行模擬所需的排放源清單基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是當(dāng)前工作的一大重點。IPCC的工作報告中提供的方法應(yīng)當(dāng)值得借鑒。

4.3  化學(xué)特征分析

由于OC氣溶膠組成的復(fù)雜性和分析、測試的水平所限[16]，雖然目前對OC氣溶膠的化學(xué)組成和特性有了一定程度的了解，但遠遠不夠，仍需分析人員從理論方法和測試水平上作出努力。

4.4  在大氣化學(xué)過程中的作用

雖然目前已經(jīng)認(rèn)識到OC氣溶膠在全球大氣環(huán)境、氣候變化方面有重要作用，但其作用機理仍不明確，應(yīng)通過大尺度的化學(xué)、氣候模擬，確定OC氣溶膠在不同時間尺度和空間尺度氣候變化方面的作用及其作用機理，開發(fā)新一代天氣預(yù)報及氣候變化模型并業(yè)務(wù)化；有關(guān)OC氣溶膠對區(qū)域灰霾形成、發(fā)展、消亡的作用，也是目前的一個研究熱點，應(yīng)探索OC氣溶膠對區(qū)域灰霾形成、發(fā)展、消亡的作用機制、驅(qū)動因素，發(fā)展灰霾預(yù)報、預(yù)測模型。

4.5  有機碳氣溶膠減排的技術(shù)及控制措施

應(yīng)綜合研究OC氣溶膠減排技術(shù)的可行性及可操作性，確定主要的發(fā)展方向及關(guān)鍵的減排技術(shù)、措施；在全球變化大背景下，通過綜合分析，評估OC氣溶膠減排對社會、經(jīng)濟發(fā)展的作用及相互影響，提出有關(guān)對策及調(diào)控措施。

當(dāng)前有關(guān)中國OC的研究十分缺乏，一些基礎(chǔ)性的研究命題并不十分清楚，并且即將開展的新一輪政府間氣候影響國際談判（IPCC，2007）也將高度關(guān)注有機碳等氣溶膠的氣候效應(yīng)問題[22]，這些都極大地限制了我國在這一研究領(lǐng)域的國際發(fā)言權(quán)。所以，我國科學(xué)家應(yīng)加緊這方面的研究。

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