有机碳气溶胶的研究意义及进展
摘要：提出了有机碳气溶胶的研究意义，综述了有机碳气溶胶的化学组成、来源及排放和环境与健康效应（包括辐射效应、散光效应、健康效应），并根据国外有关有机碳气溶胶研究的现状及发展趋势提出未来的主要研究方向。
关键词：有机碳 化学组成 来源 排放 环境与健康效应
大气中悬浮的气溶胶粒子，是由硫酸盐、硝酸盐、含碳粒子、海盐和矿物尘等组成的混合体，不仅对人体健康、能见度具有重要危害，而且对全球和区域气候与环境系统产生着显著影响。由于对人体健康的危害、直接和间接的气候效应、影响降水酸度、光化学烟雾、参与全球生物地球化学循环、降低能见度等，大气中的碳气溶胶（Carbonaceous Aerosol）越来越受到科学家的关注[1,2]。据报道，与碳气溶胶有关的东南亚森林火灾等引发的大气灰霾（Haze）在南亚每年就可导致50万人早死。
碳气溶胶分为有机碳（Organic carbon，OC）和元素碳（Elemental Carbon，EC（或称黑碳，BC））两种，其中OC是大气气溶胶的重要组成成分，在污染严重的地区（尤其在城市中），OC一般占到PM2.5质量的10％～70％[3-5]。区域大气中OC的测量较少，其值为0.1～5.0 µg/m3[6-9]；城市大气中的OC测量相对多一些，特别是在欧、美等发达国家，由于机动车等的影响，OC的含量明显偏高，约4～30 µg/m3[10-12]。区域大气中的OC/EC比值一般大于3.0，可达10.0以上。城市大气中的OC/EC比值一般为1.0～4.0，OC通常代表碳气溶胶组分的50%以上；OC/EC比值大于2.0，表示已有SOC（二次有机碳气溶胶）的出现。
OC气溶胶能在环境大气中存在数天至数星期，全球平均数为3～7 d[13]、3.9～4.5 d[14]，由此可能扩散至数百至上千公里外。OC的存在时间相对于EC较短，是因为其天然的亲水性导致其湿沉降[15]。
目前在环境大气中还不清楚碳气溶胶中OC所占比例的准确数据，有关碳气溶胶的赋存状态、水溶性、组成、形成机制及有关化合物的分子标志物等的详细信息则更为缺乏。
近年来国内外有关碳气溶胶的研究论文已呈显著增长的趋势，碳气溶胶及其气候和环境效应研究已成为当前国际大气化学研究的热点之一，是气溶胶领域最有前景的研究发展方向之一。
1 OC的化学组成
大气中的有机碳是具有多种化学性质和热动力学性质的上百种、或许上千种单个有机物的聚合体，多数由气态污染物通过凝聚过程转化而来，种类繁多，结构极其复杂，一般包括有：脂肪类，芳香族类化合物，酸，烷烃等。城市大气中的有机碳主要是芳香族、多环芳香族（PAH）的碳氢化合物[16]；许多有机物存在于气相和固相之间，其存在形态直接受到环境温度、相对湿度、吸附特征以及有机物种类化学性质等的控制。大气中的有机碳常和其它元素或化合物有关联，主要是氧、氮、硫、卤素和金属。
通常的，大约有10%的OC气溶胶单体能确认，40%可提取出但不能确定其具体的化合物，另50%是不可提取的。OC气溶胶一般和EC气溶胶共生，并有被EC吸附的倾向，进而增强气溶胶的毒性。OC的粒径一般为0.1～2.5 µm，在1.0 µm附近的比例最大；其密度约为1.5 g/cm3。
2 OC的来源及排放
OC既可以颗粒物的形式由排放源直接释放形成（一次有机碳气溶胶，POC），也可以在大气中由前体物经过复杂的化学反应而形成[17,18]（二次有机碳气溶胶，SOC）。POC主要来源于富含碳燃料的低温条件下的不完全燃烧过程（如化石燃料燃烧、生物质燃烧）、非燃烧过程（主要指生物体、植物残片、土壤形成腐殖质等过程）。当大气中有机气体的浓度超过其饱和度时，低气压的可挥发性有机物可凝结在颗粒物上形成SOC；另外在亚饱和状态下，由气态有机物在颗粒物表面以物理或化学吸附方式也可形成SOC。自然源和人为源均可产生POC，也可形成SOC。由于目前还没有较为简单直接的方法，POC和SOC的分离是件困难的工作，一般通过碳同位素的组成（14C/12C）来确定[8]。
中国地处东亚地区，面积广大，由于经济水平相对落后和生活习惯等原因，大量使用煤和生物质作燃料，被认为是排放OC的全球第一大户[13,14,19]，而且由于其独特的地理位置及社会、经济的快速发展，使其排放量的变化（如年变化、季变化、月变化等）也较大，很难较准确地确定。JACOBSON等[1]的研究明确指出限制中国及东南亚国家碳气溶胶的排放是当前减缓全球气候变暖的最有效途径之一；即将进行的IPCC第4次科学评估报告（2007年）已把中国的碳气溶胶研究列为一个重点，这些都对我国的环境外交形成了巨大压力，也是对我国的经济与社会可持续发展的严重障碍。显然，中国区域碳气溶胶的网络观测、排放及输送、气候效应的数值模拟研究不仅是近几年我国、国际大气化学和全球变化研究的一个焦点的科学问题，也将是一项关系到国家安全和利益的实际研究工作。
3 OC的环境、气候及健康效应
3.1 OC的辐射效应
OC能吸收硫酸盐和硝酸盐而改变其吸湿特征，使这些气溶胶对大气中云凝结核（CCN）数目浓度有较大贡献，因此OC可以直接或间接地影响地球辐射平衡，对全球气候变化起到重要作用，成为气候预测中最不确定的因子之一[20]。一般认为，OC的辐射强迫效应为－1.00～－0.20 W/m，IPCC[20]估计OC的辐射强迫效应为－0.41 W/m2，但由JACOBSON得到的值仅为－0.04～－0.06 W/m2，这也许是OC和EC混合后，EC的吸光效应得到了增强；JACOBSON等[1]同时认为，减少化石燃料燃烧排放出的BC和OC，可能比减少CO2能更有效的降低全球变暖的趋势。TAKEMURA等[21]经过模拟，预测2050年时，东亚地区晴天OC的辐射强迫效应为－0.32～－0.46 W/m2，阴天为－0.70～－0.96 W/m2。
3.2 OC的散光效应
OC气溶胶会降低大气的能见度（有散光作用），会对艺术美景产生影响，进而影响旅游经济。
Potter在美国Wyoming的观测分析认为，OC对能见度的减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对能见度的减弱占全部污染物的26%[15]。KIM等[9]在韩国的观测表明，OC对能见度的减弱占全部污染物的12%。
3.3 OC的健康效应
已有证据表明，OC气溶胶可引起刺激或过敏反应，并在动物实验中发现有致癌性和致畸性。由于OC包含多种有毒成份，所以暴露在较高的OC浓度下，老年人发生早亡及心脏系统疾病的几率大大增加，尤其是当他们本身已经有心脏或呼吸系统疾病时；儿童则表现为较高的呼吸系统疾病及肺部功能下降；一些哮喘病患者等则会加重症状。
4 研究前景及建议
虽然OC气溶胶的研究在国际上日益受到关注，也取得了一些进展，但许多方面仍处于研究的初级阶段，许多基本性的问题还没有解决，有待于进一步的深入工作。国际上碳气溶胶的研究有以下发展趋势：
（1） 多学科交叉研究的深度和广度在加强：如描述碳气溶胶物理、化学过程的耦合气候模式在发展；碳气溶胶和其它气溶胶、痕量气体的交叉反应、相互驱动等等。
（2） 注重区域响应研究：利用长序列的实际观测资料和模型预测相结合的方法，校验排放清单的准确性和模型的可靠性；分析比较城市和洁净地区颗粒物中碳气溶胶的含量，开发区域响应模式；通过地质记录，揭示过去数十年至数百年的碳气溶胶排放强度及分布。
（3） 开发新的、可靠的碳气溶胶观测、分析仪器：通过在相同区域进行的大量实测，对比各种分析仪器的精度、可靠性；积极开发新的、可靠的在线碳气溶胶观测、分析仪器。
我国关于碳气溶胶的研究处于起步阶段，基础不深，各方面的信息、资料较少，缺乏系统性，只有通过持续的研究，才能取得有较高国际水准的成果。根据国际有关碳气溶胶研究的现状及发展趋势，以下几点应是未来的主要研究方向：
4.1 时空分布特征观测
通过整合国内的观测、监测网络，建立高效、准确的碳气溶胶观测网，弄清碳气溶胶的区域空间分布特征和物化特征；通过长期的观测，了解碳气溶胶的区域时间变化特征及变化趋势。上述工作将为进一步开展科学研究提供翔实的基础数据。
4.2 排放源清单编制
目前关于OC气溶胶对气候、环境的影响已有全球模拟的各种模式[1,13,14,21]，但是，OC气溶胶的排放清单却相差较大，以中国为例，人为源排放量为1.540～3.385×106 t/a，但部分作者又认为其误差可能高达±495%[20]。如何准确地编制各种模式进行模拟所需的排放源清单基础数据，是当前工作的一大重点。IPCC的工作报告中提供的方法应当值得借鉴。
4.3 化学特征分析
由于OC气溶胶组成的复杂性和分析、测试的水平所限[16]，虽然目前对OC气溶胶的化学组成和特性有了一定程度的了解，但远远不够，仍需分析人员从理论方法和测试水平上作出努力。
4.4 在大气化学过程中的作用
虽然目前已经认识到OC气溶胶在全球大气环境、气候变化方面有重要作用，但其作用机理仍不明确，应通过大尺度的化学、气候模拟，确定OC气溶胶在不同时间尺度和空间尺度气候变化方面的作用及其作用机理，开发新一代天气预报及气候变化模型并业务化；有关OC气溶胶对区域灰霾形成、发展、消亡的作用，也是目前的一个研究热点，应探索OC气溶胶对区域灰霾形成、发展、消亡的作用机制、驱动因素，发展灰霾预报、预测模型。
4.5 有机碳气溶胶减排的技术及控制措施
应综合研究OC气溶胶减排技术的可行性及可操作性，确定主要的发展方向及关键的减排技术、措施；在全球变化大背景下，通过综合分析，评估OC气溶胶减排对社会、经济发展的作用及相互影响，提出有关对策及调控措施。
当前有关中国OC的研究十分缺乏，一些基础性的研究命题并不十分清楚，并且即将开展的新一轮政府间气候影响国际谈判（IPCC，2007）也将高度关注有机碳等气溶胶的气候效应问题[22]，这些都极大地限制了我国在这一研究领域的国际发言权。所以，我国科学家应加紧这方面的研究。
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