黑碳或棕色碳？含碳气溶胶的吸光性质外文翻译资料

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黑碳或棕色碳？含碳气溶胶的吸光性质

M.O.Andreae¹ A.Gelencser²

¹Max Planck Institute for Chemistry, Biogeochemistry Department, P.O. Box 3060, 55020 Mainz,Germany

²Air Chemistry Group of the Hungarian Academy of Sciences, University of Veszprem, P.O. Box 158, H-8201 Veszprem,Hungary

摘要：虽然对大气中“黑碳”（BC）或者“元素碳”（EC）的定义和测量技术长久以来一直是科学界争论的话题，但近些年来对光吸收碳并不是黑色的（“棕色碳，C_brown”）的发现使得对大气中光吸收含碳物质组成的重新定义和评估变得十分迫切。大气中存在C_brown的证据来源于特定燃烧源的气溶胶吸收光谱的测量，对大陆性气溶胶水提取物的光谱特性观察，实验室研究所表明的大气中光吸收有机物的组成，以及间接的来自于气溶胶种类到有色自然腐殖物质的化学类比。我们发现在对流层的大部分区域对于“BC”和“EC”的棕色碳测量存在严重的偏差，尤其是对于那些被生物质燃烧严重污染的地方，C_brown的相对质量浓度的高于烟炱。由于C_brown的耐火性质以及复杂基质的干扰使得化学测量“EC”的方法产生偏差。对于“BC”的光学测量方法也有一些列的问题：（1）目前使用的很多对气溶胶吸光测定的仪器具有很大的误差（2）在光吸收和“EC”或“BC”的环境气溶胶浓度之间的转化没有唯一的转化因子以及（3）不同种类LAC的光谱特性之间的不同，以及C_brown复杂的化学性质，导致了在理解以及应用中的困难。我们还发现由于C_brown对UV的吸收大幅度增加，单一波长光吸收的测量手段并不能充分的评估在对流层中对太阳辐射的吸收。我们讨论了已知的对流层过程可能造成的后果，包括其对紫外线照射的影响，以及在云中的光化学过程和辐射传输。

1 背景

烟炱，树木和煤炭燃烧的烟雾中的黑色物质，在历史上常常被视为一种典型的空气污染（Brimblecombe, 1987）。在20世界70年代和80年代在偏远地方的大气中甚至都能发现它的存在(Levin and Lindberg, 1979; Heintzenberg, 1982;Andreae, 1983），最早关于环境中黑碳循环的研究被总结在E.D.Goldberg的专著Black Carbon in the Environment中（1985）。Masiello近期提供了关于环境中“黑碳”的综述（2004）。在这一部分，我们将展示“黑碳”研究发展的背景信息和一些相关的概念和术语。同时我们还提出一些基于讨论后的定义，以用于这篇文献剩下的部分以及普遍使用。

近些年来，科学界对于黑碳的关注已经从它在污染物中所扮演的角色转变为它在全球变暖中所产生的重要作用((Andreae, 1995; Hansen et al.,1998; Hansen and Nazarenko, 2004; Hansen et al., 2005;Ramanathan et al., 2005)。一些模式计算表明它在推动气候变化中的作用甚至可以媲美甲烷，并且由于黑碳导致的全球升温至今已经达到0.3-0.4℃(Jacobson, 2004; Chung and Seinfeld,2005)。然后另一些人估计这种物质对于气候的影响没有如此严重（Jones et al.，2005）。因此，对于将减少“BC”的排放作为减缓全球变暖的一种策略是否有效引起了大量的争议。由于“BC”气溶胶颗粒对于气候的影响不仅仅和其物理与化学特性有关，还与其在大气中的持续时间和分布相关（Jacobson，2001），所以对于大气中“BC”性质的彻底了解以及精确的测量技术是必不可少的。

在这一领域中的术语是借鉴了源过程，形态特征，化学组成以及光学特征中各种各样的定义。但是这些定义通常并不是一致的，所以这些术语会变得混乱，复杂乃至矛盾。我们在这里给出这篇文献中不同种类大气中碳的术语的定义。这些定义将会在后面的内容中更加详细的讨论和说明。

煤烟：由燃烧物质组成的黑色或棕色的物质，作为一种细颗粒物（煤烟粒子）存在于大气中，或者附着在烟囱两侧或通过烟气管道传输。

烟碳（C_soot）：从燃烧中产生的具有形态和化学性质的典型的碳颗粒。由石墨烯聚集而成，几乎全部由碳组成，含有少量的混合物，特别是氢气和氧气。这个定义不包括有机物（如石油等），通常存在于燃烧物颗粒之中。

棕色碳（_brown）：大气颗粒物中有很多不同来源的吸光有机物（不是C_soot），比如汽油腐殖质，腐殖质类物质（HULIS），柏油燃烧，生物气溶胶粒等。

光吸收碳（LAC）：大气颗粒物中对于光吸收碳质物质的总称呼，包括C_soot和C_brown。注意在这里这个词的解释和Bond及Bergstrom定义的不同，他们和我们对于C_soot的定义相同。

元素碳（EC）;在这篇文献中的用法（带引号）在某种意义上说通常和其他文章一样较为传统和随意，这就意味着其通常由近元素烟碳类物质组成。在大多数情况下通常指在一定温度阈的燃烧分析当中被氧化的碳的一部分，并且只存在于含氧大气中。

可见元素碳（EC_a）：操作定义为在有氧大气中在确定的温度阈值内被氧化的碳的一部分。依据所采用的技术可以进行碳化的校正。

黑色碳（BC）：这篇文献中的用法（带引号）在某种意义上说通常和其他文章一样较为传统和随意，这就意味着其通常由含有光学特性和与烟碳相同的组分。在气候科学界这是常常被使用的一个术语，但不考虑其不够明确的定义。同时也用在对于用运光学手段测量LAC的结果中。

等效黑碳(BC_e):操作定义为在光学仪器中（如黑碳仪）所测量的样本中C_soot中具有特性的具有强吸光性碳中的一部分。

在文章中，“黑碳”和“烟碳”通常作为同义词表示在燃烧物颗粒（又名烟炱）中具有光吸收性的部分。烟碳是具有石墨结构的一种不纯净的近元素碳，是由火焰燃烧和燃烧内部能量产生的(White and Germer,1941; Grisdale, 1953; Medalia and Rivin, 1982; Bockhorn,1994)。实际上，由于烟炱颗粒具有特殊的形态，使他们能够成为少数几种可以在投射或扫描电子显微镜下可以清楚的辨认出的颗粒物种。基本的烟炱粒子，是10-50nm的小球粒子，不能够单独的存在于环境大气中—而是在火焰中产生以后就积聚在一起(Wentezel et al,2003)。在新形成的烟雾中，这些微团更倾向于形成开放系，他们的形态转变依赖与老化过程，包括水的吸收和形成更加紧密的微粒类（Colbeck et al., 1990; Weingartner etal., 1997; Ruellan et al., 1999; Abel et al., 2003; Onischuk et al., 2003)。然而，烟炱颗粒通常和声物质燃烧的焖烧阶段联系起来，表现为变得更圆更加密集的聚合，似乎是为了抵抗大气老化过程（Martins et al,.1998b）。

燃烧物微粒（烟炱）的原始化学成分强烈的依赖于他的源：有些源能够产生纯净的元素碳，其他的源能够产生50%的有机物（Medalia and Rivin，1982）。石墨，是元素碳热力学形式下最稳定的形态。它只能够在温度超过600℃时才能被氧化。在石墨结构中，碳原子具有一个sp²的杂化轨道，导致由sigma;键连接的碳原子形成了一个对称的平面六边形结构。剩下的p电子在碳原子平面上的杂化轨道内。p轨道重叠在一起形成了pi;键，由于石墨晶片表面无限平的结构，在p重叠轨道上的电子是沿着碳原子骗六角形平面上运动。这占了石墨似金属性质，尤其是其电子导电性和宽波段光吸收性。后一种性质对于烟炱颗粒的光吸收是最重要的，因为它为粒子的光学测量提供了基础。

在碳原子占据二维蜂窝网格中每一个点的石墨结构具有紧密的拉曼模式，这些拉曼模式能使大气颗粒中的石墨结构被明确的分辨出来，可能是在分子水平上唯一一种可用的方法(Rosen and Novakov, 1977; Mertes et al., 2004)。拉曼跃迁的形状和强度是石墨晶体大小，形状和组成的函数(Sze et al., 2001; Sadezky et al., 2005)。高分辨率投射显微镜揭示了燃烧烟炱球粒子的内部结构强烈取决于他们生成的热力和化学环境以及焖烧的时长(Buseck et al., 1987; Su et al., 2004)。随着富勒烯结构在燃烧区域的较长时间停留，快速发展的烟炱球形粒子几乎不具有晶体结构，只含有一小部分的有序结构(Posfai et al., 1999; Griecoet al., 2000; Ferry et al., 2002; Wentzel et al., 2003)。随着焖烧时间的加长（数秒到数分钟）和温度的增高，碳结构将会变得越来越高级和有序。

烟炱粒子通常是认为不溶于水或有机溶液中的。这对于纯净的石墨来说是没错的，但是更多与大气有关的燃烧粒子类型的表现则不一样(Medalia and Rivin, 1982)。比如：在不同溶剂中乙烷烟炱粒子的提取物表明含有33%质量浓度的可溶性物质，包括多芳环烃（PHAs），多芳环烃氧化物，和一小部分脂类化合物(Akhter et al., 1985)。生物质燃烧产生的一部分粒子也具有水溶性，包括光吸收物质（Hoffer et al., 2005;Decesari et al., 2006)。

虽然燃烧物粒子的平均元素组成一般被指定为碳（在各种各样的烟炱粒子中，一般包括89-95%的C，3-8%的O，以及1-3%的H(Ebert, 1990; Clague et al., 1999; Grieco et al., 2000; Ferry et al., 2002))。一个大气烟炱粒子可能被视为一个包含有转移电子能力的复杂三位有机聚合物，而不是仅仅是元素碳的一种非晶体形式（Chang et al.，1982）。在烟碳粒子中发现的相对分子质量较低的氧可能是不对的，因为事实上它能在其表面各种官能团中被发现，于是在多数大气过程中烟炱并不具有纯净石墨的性质。烟炱粒子表面氧原子的数量取决于燃烧环境，一般来说充足的氧气和粒子表面不完整的结果使得燃烧效率增加(Chughtai et al., 2002; Su et al., 2004)。这反过来增加了粒子的化学相关性（包括粒子的热化学性质）以及他们在大气中的湿度。在柴油机和排放烟炱中的碳氢摩尔比约为3-6以及在黑碳中约为8-20(Cachier et al., 1989b; Ebert, 1990; Clague et al., 1999)。

尽管形态和化学形式发生了充分的变化，我们仍建议将这种燃烧物的繁衍物粒子类型，只要这个物种的身份已经被确定。然而，能够这样做的测量技术，如拉曼光谱或电子显微镜，对该气溶胶成分的常规检测往往是不切实际的。

为了解决这一问题，基于了C_soot的一些特性对于气溶胶组分的定量分析的测量方法被发展和利用起来(Rosen and Novakov, 1977;Ellis and Novakov, 1982; Cadle et al., 1983; Andreae et al.,1984; Gundel et al., 1984; Hansen et al., 1984; Heintzenberg,1988; Cachier et al., 1989b; Hitzenberger et al., 1999;Schmid et al., 2001; ten Brink et al., 2004)。利用这些方法的使用使得如黑碳（BC）或者元素碳（EC）依照它们主要特性赋予了新的操作性定义。“EC”被视为适合进行选择性测量的耐火组分，常常作为干湿化学测量的第一个项目。“BC”则表明其与可见光的吸收有关，通常用光学方法来对其进行测量。需要注意的是既不是某个特定的大气颗粒物种类对应一个特定的范畴范畴，也不是各种分析技术的各种方法所测得的环境烟炱粒子或LAC粒子能够代表这一范围内所有物质的特性。无论是“BC”还是“EC”都只能看作是大气中烟炱碳的粒子排放浓度的“代表”，其精确度取决于大气烟炱粒子和校准粒子的相似性。如果大气烟炱粒子都是纯净的石墨并且所有的方法都用来对石墨进行了校准，对于烟碳的质量浓度测量就能够通过“EC”和“BC”的测量来成。但假如石墨只是大气颗粒物中的一种示踪物，“EC”和“BC”的测量结果通常给出不同。

为了强调“EC”不是直接指化学中的“元素”碳这个含义，我们在这片文中用“EC_a”（可见元素碳）。同样的，既然“BC”为操作性定义为纯C_soot的一部分（具有7.5m²/g的吸收截面；Bond and Bergstrom, 2006），在这里我们用“BC_e”（等效黑碳）。当我们指所有光吸收碳质气溶胶粒子时，我们用“光吸收碳”这个词（Malm et al。，1994）。

通常在大气科学中尤其是气候相关的的讨论中，通常假定“BC”（这里指烟碳）是亚微米颗粒物中唯一的吸收光的成分。另外，“BC”常常被看作为大气中一种特殊的成分，燃烧是其唯一的来源，并且它是黑色的还具有统一的物理特性和化学组分。尽管大气光

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