有機碳氣溶膠的研究意義及進展
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組成、來源及排放和環境與健康效應（包括輻射效應、散光效應、健康效應），并根據國外有關有機碳氣溶膠研究的現狀及發展趨勢提出未來的主要研究方向。
關鍵詞：有機碳 化學組成 來源 排放 環境與健康效應
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，而且對全球和區域氣候與環境系統產生著顯著影響。由于對人體健康的危害、直接和間接的氣候效應、影響降水酸度、光化學煙霧、參與全球生物地球化學循環、降低能見度等，大氣中的碳氣溶膠（Carbonaceous Aerosol）越來越受到科學家的關注[1,2]。據報道，與碳氣溶膠有關的東南亞森林火災等引發的大氣灰霾（Haze）在南亞每年就可導致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，在污染嚴重的地區（尤其在城市中），OC一般占到PM2.5質量的10％～70％[3-5]。區域大氣中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。
OC氣溶膠能在環境大氣中存在數天至數星期，全球平均數為3～7 d[13]、3.9～4.5 d[14]，由此可能擴散至數百至上千公里外。OC的存在時間相對于EC較短，是因為其天然的親水性導致其濕沉降[15]。
目前在環境大氣中還不清楚碳氣溶膠中OC所占比例的準確數據，有關碳氣溶膠的賦存狀態、水溶性、組成、形成機制及有關化合物的分子標志物等的詳細信息則更為缺乏。
近年來國內外有關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境效應研究已成為當前國際大氣化學研究的熱點之一，是氣溶膠領域最有前景的研究發展方向之一。
1 OC的化學組成
大氣中的有機碳是具有多種化學性質和熱動力學性質的上百種、或許上千種單個有機物的聚合體，多數由氣態污染物通過凝聚過程轉化而來，種類繁多，結構極其復雜，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，其存在形態直接受到環境溫度、相對濕度、吸附特征以及有機物種類化學性質等的控制。大氣中的有機碳常和其它元素或化合物有關聯，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，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過復雜的化學反應而形成[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、生物質燃燒）、非燃燒過程（主要指生物體、植物殘片、土壤形成腐殖質等過程）。當大氣中有機氣體的濃度超過其飽和度時，低氣壓的可揮發性有機物可凝結在顆粒物上形成SOC；另外在亞飽和狀態下，由氣態有機物在顆粒物表面以物理或化學吸附方式也可形成SOC。自然源和人為源均可產生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，面積廣大，由于經濟水平相對落后和生活習慣等原因，大量使用煤和生物質作燃料，被認為是排放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、經濟的快速發展，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，這些都對我國的環境外交形成了巨大壓力，也是對我國的經濟與社會可持續發展的嚴重障礙。顯然，中國區域碳氣溶膠的網絡觀測、排放及輸送、氣候效應的數值模擬研究不僅是近幾年我國、國際大氣化學和全球變化研究的一個焦點的科學問題，也將是一項關系到國家安全和利益的實際研究工作。
3 OC的環境、氣候及健康效應
3.1 OC的輻射效應
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核（CCN）數目濃度有較大貢獻，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，成為氣候預測中最不確定的因子之一[20]。一般認為，OC的輻射強迫效應為－1.00～－0.20 W/m，IPCC[20]估計OC的輻射強迫效應為－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的吸光效應得到了增強；JACOBSON等[1]同時認為，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]經過模擬，預測2050年時，東亞地區晴天OC的輻射強迫效應為－0.32～－0.46 W/m2，陰天為－0.70～－0.96 W/m2。
3.2 OC的散光效應
OC氣溶膠會降低大氣的能見度（有散光作用），會對藝術美景產生影響，進而影響旅游經濟。
Potter在美國Wyoming的觀測分析認為，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
已有證據表明，OC氣溶膠可引起刺激或過敏反應，并在動物實驗中發現有致癌性和致畸性。由于OC包含多種有毒成份，所以暴露在較高的OC濃度下，老年人發生早亡及心臟系統疾病的幾率大大增加，尤其是當他們本身已經有心臟或呼吸系統疾病時；兒童則表現為較高的呼吸系統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展趨勢：
（1） 多學科交叉研究的深度和廣度在加強：如描述碳氣溶膠物理、化學過程的耦合氣候模式在發展；碳氣溶膠和其它氣溶膠、痕量氣體的交叉反應、相互驅動等等。
（2） 注重區域響應研究：利用長序列的實際觀測資料和模型預測相結合的方法，校驗排放清單的準確性和模型的可靠性；分析比較城市和潔凈地區顆粒物中碳氣溶膠的含量，開發區域響應模式；通過地質記錄，揭示過去數十年至數百年的碳氣溶膠排放強度及分布。
（3） 開發新的、可靠的碳氣溶膠觀測、分析儀器：通過在相同區域進行的大量實測，對比各種分析儀器的精度、可靠性；積極開發新的、可靠的在線碳氣溶膠觀測、分析儀器。
我國關于碳氣溶膠的研究處于起步階段，基礎不深，各方面的信息、資料較少，缺乏系統性，只有通過持續的研究，才能取得有較高國際水準的成果。根據國際有關碳氣溶膠研究的現狀及發展趨勢，以下幾點應是未來的主要研究方向：
4.1 時空分布特征觀測
通過整合國內的觀測、監測網絡，建立高效、準確的碳氣溶膠觀測網，弄清碳氣溶膠的區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研究提供翔實的基礎數據。
4.2 排放源清單編制
目前關于OC氣溶膠對氣候、環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，但部分作者又認為其誤差可能高達±495%[20]。如何準確地編制各種模式進行模擬所需的排放源清單基礎數據，是當前工作的一大重點。IPCC的工作報告中提供的方法應當值得借鑒。
4.3 化學特征分析
由于OC氣溶膠組成的復雜性和分析、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 在大氣化學過程中的作用
雖然目前已經認識到OC氣溶膠在全球大氣環境、氣候變化方面有重要作用，但其作用機理仍不明確，應通過大尺度的化學、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，開發新一代天氣預報及氣候變化模型并業務化；有關OC氣溶膠對區域灰霾形成、發展、消亡的作用，也是目前的一個研究熱點，應探索OC氣溶膠對區域灰霾形成、發展、消亡的作用機制、驅動因素，發展灰霾預報、預測模型。
4.5 有機碳氣溶膠減排的技術及控制措施
應綜合研究OC氣溶膠減排技術的可行性及可操作性，確定主要的發展方向及關鍵的減排技術、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、經濟發展的作用及相互影響，提出有關對策及調控措施。
當前有關中國OC的研究十分缺乏，一些基礎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）也將高度關注有機碳等氣溶膠的氣候效應問題[22]，這些都極大地限制了我國在這一研究領域的國際發言權。所以，我國科學家應加緊這方面的研究。
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