黑碳氣溶膠

黑碳氣溶膠是大氣氣溶膠的重要組成部分，主要是由富含碳的物質不完全燃燒產生的，比如化石原料和生物質原料燃燒等。

基本介紹

• 中文名：黑炭氣溶膠
• 特點：多孔狀
• 高溫：發生氧化
• 性質：吸收光波

簡介

黑碳氣溶膠具有較為特殊的物理化學性質。黑碳氣溶膠具有多孔性，粒徑約在(0. 01～1) μm。在化學成分上非常接近於石墨,，在溫度高於400 ℃時才可以發生氧化。黑碳氣溶膠對可見光和部分紅外光譜有很強的吸收能力，它在大氣中的各種化學和光化學反應、非均相反應以及氣粒轉化過程中起著重要作用。

來源及分布

來源

黑碳氣溶膠來源可分為自然源和人為源兩種。火山爆發、森林大火等自然現象可以造成部分黑碳氣溶膠排放，但由於此類自然現象的發生具有一定的區域性和偶然性，在區域或全球範圍內，其對大氣中黑碳氣溶膠濃度的長期背景值變化貢獻不大，相反，人為源排放具有廣泛性和持續性。尤其是自工業革命以來，世界人口數量快速增長，人類大量使用煤、石油等化石燃料，出於農業目的的生物焚燒也大大增加，進而造成黑碳氣溶膠排放量的持續增加，另外由汽車尾氣帶來的黑碳氣溶膠排放也成為大氣中尤其是城市區域大氣中黑碳氣溶膠的重要來源。

分布

黑碳氣溶膠在大氣中濃度較低，在大氣氣溶膠成分中所占比例也比較小，一般占百分之幾或十幾，在全球的濃度分布也具有明顯的差別，一般情況下，黑碳氣溶膠濃度城市地區高於鄉村地區，大陸區域高于海洋區域，北半球高於南半球地區。

化學性質

黑碳氣溶膠在光學性質上與氣溶膠的其他組分有很大的差別，對從可見光到紅外的波長範圍內的太陽輻射都有強烈的吸收作用，同大氣溫室氣體如CO2、CH4、CFCs等相比，黑碳氣溶膠具有更寬的吸收波段，另外，同沙塵等相比，其質量吸收係數要大兩個數量級。黑碳氣溶膠顆粒的粒徑尺度範圍一般在0.01~1μm，其粒徑中值為0.1~0.2μm，尺度分布主要呈現積聚模態，因此黑碳氣溶膠可以作為雲凝結核，改變雲滴尺度分布、雲光學特性和雲中液態水含量及雲量。儘管新生黑碳氣溶膠由於疏水性並不是有效的雲凝結核，但是在大氣傳輸過程中，其表面可能發生微物理和化學形態的改變，變成親水性的雲凝結核並能降低雲凝結核所需要的過飽和度。同時黑碳氣溶膠還可以促進一些氣體污染物的氣—粒轉化過程。

相關影響

儘管黑碳氣溶膠在大氣氣溶膠成分中所占比例較小,一般占百分之幾到百分之十幾, 在大氣中濃度一般也較低。但它對環境的影響卻不容忽視，具體表現在兩個方面：

對大氣環境的影響

由於黑碳氣溶膠在從可見光到紅外的波長範圍內對太陽輻射都有強烈的吸收效應, 所以對區域和全球氣候有著重要的影響。2000年的IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，聯合國政府間氣候變化專門委員會）報告指出，黑碳氣溶膠能夠導致正的輻射強迫, 從而極大地減弱氣溶膠對地球的冷卻效果。部分學者的研究表明，減少黑碳和有機碳的排放比減少二氧化碳和甲烷的排放更能減慢全球變暖。

對人體健康的影響

由於黑碳氣溶膠具有吸附性，黑碳氣溶膠的表面能夠吸附其它污染物（如多環芳烴類、重金屬等），可以通過呼吸作用，夾帶所吸附的有毒物質進入人體，從而引起呼吸系統哮喘以及心血管病、癌症等疾病的發生，危害人類健康。此外，大量的黑碳氣溶膠可明顯地降低大氣能見度；沉降附著在建築物表面會破壞建築物外觀；沉降到植物葉面會阻滯植物呼吸和光合作用從而降低農作物產量等。

黑碳，又一個氣候“搗蛋鬼”

當各國政要齊聚哥本哈根商議如何“收拾”二氧化碳、甲烷等溫室氣體的過度排放時，一群懸浮在半空的黑色顆粒物也正以某種神秘的方式跟地球氣候“搗蛋”。

一項由中國科學院和美國國家宇航局科學家合作完成的最新研究表明，隨雪花從天而降的黑碳加速了青藏高原冰川的融化；而且，融化的雪水並不能帶走黑碳，“世界屋脊”的命運將因黑碳的積累而不斷惡化。

主持這項研究的中科院青藏高原研究所研究員徐柏青說，最近20年，青藏高原冰川開始融化的時間明顯提前，而融化的持續時間更長，這其中，天生吸熱的黑碳難辭其咎。

5支冰芯還原黑碳時空曲線

漂浮空中的黑碳，是地球上含碳物質不完全燃燒的產物。火山爆發、森林大火冒出的黑煙中有它，煤、石油、秸稈等化石燃料及生物質的燃燒，也增加著它的排放。

黑碳通常“遊走”於距離地面2-5公里的高空，不斷“加熱”著大氣，海拔五六千米的青藏高原恰好處於這團“熱氣”的包圍之中。

要近距離觀察這種加熱效應並不容易，但降雪會將黑碳從雲端帶入人間，沉積於白雪皚皚的崇山峻岭。此次，科學家從青藏高原的不同方位分別鑽取了5支冰芯，分析其中深淺不一的冰層成分，結合大氣環流規律追蹤黑碳來源，還原了近60年來黑碳含量的時空曲線——上世紀五六十年代，歐洲的黑碳排放對青藏高原西北部冰川的融化有相當“貢獻”；八十年代中期以來，來自南亞的黑碳在青藏高原東南部大量“集結”，以幾倍於過去的力道“侵蝕”著冰川。

“雖然我們尚無法斷言黑碳的融雪作用到底有多強，但國際同行的現場觀測實驗證明，隨著黑碳的沉降累積，原本反光的白雪會‘吃’進更多陽光。”讓徐柏青不安的是，黑碳的“破壞力”會隨著冰雪消融而不斷增強，當冰川表層的新鮮降雪流失殆盡，黑碳會順勢溜入下一層積雪，繼續“搞破壞”。

控制方法

由於民用燃煤是中國黑碳最主要的排放源，因此減少黑碳首先應當控制民用燃煤的排放。在國家自然科學基金重大項目的資助下，中國科學院廣州地球化學研究所傅家謨院士領導的項目組針對中國黑碳源排放清單中最重要、最複雜的民用煤燃燒部分，通過系統實測一系列燃煤黑碳排放因子，初步估算出了黑碳排放總量。研究結果指出，在黑碳排放因子的各種影響因素中，煤的種類的影響最為顯著，燃燒形式其次，爐灶類型的影響相對最小；民用燃煤若能嚴格控制中等變質程度煙煤的使用、減少使用塊煤燃燒、大力推廣和普及蜂窩煤的使用，可以極大減少黑碳的排放量。根據初步估算，禁止將中等變質的煙煤用作為民用燃煤可使黑碳排放量減少60%以上，如果進一步禁止使用塊煤而普及使用蜂窩煤則可使黑碳排放量減少95%以上。