硫酸盐(SO42-)是城市大气颗粒物的主要成分之一，可显著影响气候、空气质量和人类健康。然而，由于对硫酸盐的化学生成途径不完全了解，目前模型仍然不能很好的模拟重污染时期的高含量硫酸盐，各种氧化途径对硫酸盐的生成贡献依然高度不确定。氧同位素异常(Δ17O)是一种定量分析不同氧化途径对硫酸盐生成贡献的有效方法。
近日，南京信息工程大学应用气象学院章炎麟教授的“同位素大气化学”研究团队对氧同位素异常在硫酸盐来源分析方面的应用进行了综述，以“The mass-independentoxygen isotope composition in sulfate aerosol-a useful tool to identify sulfateformation: a review”为题发表在大气科学专业期刊Atmospheric Research上。综述从Δ17O的基本概念、硫酸盐气溶胶中Δ17O的分析方法、Δ17O来源与硫酸盐气溶胶中Δ17O的观测结果等四个方面展开。
氧同位素异常普遍存在于大气层中，例如对流层中O3的Δ17O值为20-40‰，H2O2的为1.3-2.4‰、O2的为-0.34‰和OH的为0‰，平流层中OH的Δ17O值为20-35‰。在氧化SO2过程中氧化剂独特的氧同位素异常都可以转移到硫酸盐产物中，使产物硫酸盐具有相应的氧同位素异常，如来自O3氧化的硫酸盐的Δ17O值为6.3-8.8‰，来自H2O2的Δ17O值为0.5-1.0‰，来自过渡金属催化O2氧化(TMI-O2)的Δ17O值为−0.09‰，来自对流层OH氧化的硫酸盐的Δ17O值为0‰，来自平流层OH氧化的硫酸盐的Δ17O值≤8.8‰。通过不同氧化途径形成的硫酸盐在大气中混合在一起，因此测定的硫酸盐气溶胶的∆17O是这些氧化途径的总体特征。可以通过混合方程和/或模型模拟来反卷积以识别每个形成途径对硫酸盐气溶胶的相对贡献。目前的研究发现，在全年观察测量中，硫酸盐气溶胶的Δ17O呈现出明显的季节变化规律，Δ17O的最小值一般出现在夏季，而最大值出现在冬季。同时，硫酸盐气溶胶中的Δ17O值表现出明显的区域特征。北半球硫酸盐气溶胶中的Δ17O值在较低，在0.1-2‰范围内，而南半球的Δ17O值相对较高，在0.8-3.4‰范围内。大多数海洋边界层中的非海盐硫酸盐气溶胶具有高的Δ17O值，高达7‰。此外，平流层硫酸盐火山岩的Δ17O值高达4.8‰。
硫酸盐气溶胶中的Δ17O给大气和气候模型提供了良好观测约束，因此可以定量评估硫酸盐气溶胶不同形成途径的相对重要性。我国重污染频发，气溶胶氧同位素异常的研究较少。未来的研究可着重从大气硫酸盐氧同位素异常的观测、模拟和机制等角度来开展以对硫酸盐的生成有更全面的认识。
图1：大气硫酸盐气溶胶中氧同位素异常来源
论文全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169809520313843