对在北美地区采集的个别平流层颗粒进行的化学成像分析

《Environmental Science: Atmospheres》：Chemical imaging of individual stratospheric particles sampled over North America

野生火灾气溶胶通过深对流系统进入平流层，改变颗粒化学组成与形态。本研究利用2022年DCOTSS航空观测，结合扫描电镜与X射线显微技术分析发现：所有颗粒含可燃碳（OC），5%颗粒含黑碳（EC），显示野火黑碳到达平流层。颗粒多为有机壳包裹无机核心，OC占比37±20%，EC颗粒呈现内部混合特征。研究结果揭示了野火气溶胶对平流层颗粒光学与化学特性的长期影响。

　　近年来，随着全球气候变化和极端天气事件的加剧，野火的规模、强度和频率显著上升，导致对平流层大气环境的影响日益严重。野火不仅释放出大量颗粒物，还通过强烈的对流系统将生物质燃烧产生的有机气溶胶（BBOA）输送至平流层，甚至到达对流层顶以上区域。这一现象引发了科学界对野火对平流层化学组成和辐射特性影响的广泛关注。本研究通过分析2022年夏季美国DCOTSS（夏季平流层动力学与化学）飞行任务中采集的平流层颗粒物，揭示了野火排放如何改变平流层气溶胶的组成、形态以及混合状态，从而对全球气候系统产生深远影响。

平流层气溶胶通常具有较高的化学均匀性和较长的寿命，与对流层中复杂的气溶胶体系形成鲜明对比。平流层气溶胶主要由硫酸盐、硫酸盐与金属混合物以及偶尔出现的有机硫酸盐组成。此外，平流层中还存在痕量的卤素、矿物、硝酸盐、汞以及航天器再入过程中产生的金属残留物。由于平流层缺乏有效的沉积过程和云处理机制，这些气溶胶可以在大气中存留数月甚至数年，从而对地球的辐射平衡和大气化学构成持续影响。因此，对平流层气溶胶进行详细的化学和形态表征，对于理解其光学和辐射特性至关重要，并有助于改进气候模型中对平流层气溶胶的模拟。

野火产生的气溶胶进入平流层的路径多种多样，包括热带对流层顶的强烈对流过程、自我抬升机制以及区域性对流系统的跨对流层输送。特别是，在北美地区，夏季极端野火事件中形成的对流云（pyroCb）能够将水蒸气、挥发性有机化合物（VOCs）和气溶胶直接输送至平流层。这些气溶胶在平流层中经历进一步的物理和化学处理，包括挥发性物质的冷凝、粒子的生长以及化学成分的变化。例如，VOCs在气溶胶上升过程中可能冷凝并促进粒子的进一步增长，从而改变其形态、光学性质和云形成潜力。

为了更深入地研究野火气溶胶对平流层的影响，NASA组织了DCOTSS飞行任务，利用高海拔研究飞机ER-2进行实地观测。ER-2配备了多种先进的仪器，包括下一代激光质谱粒子分析仪（PALMS-NG）、便携式光学粒子光谱仪（DPOPS）以及微型多孔均匀沉积冲击器（Mini-MOUDI）用于采集样本。这些设备能够实时测量气溶胶的浓度、类型和化学组成，但无法直接获取单个粒子的形态和混合状态。因此，研究团队结合了计算机控制扫描电子显微镜（CCSEM/EDX）和扫描透射X射线显微镜（STXM/NEXAFS）技术，对采集的样本进行离线分析，从而获得更全面的气溶胶特性数据。

通过CCSEM/EDX和STXM/NEXAFS的联合分析，研究团队对采集的气溶胶样本进行了详细的化学成像。分析结果表明，所有样本中的气溶胶都含有可检测的碳元素，其中大部分的有机体积分数（OVF）在0.37 ± 0.20范围内。值得注意的是，约5%的粒子中含有炭黑（soot）包涵体，这表明存在经过对流过程输送至平流层的黑碳（BC），为野火衍生黑碳进入平流层提供了直接证据。粒子的形态特征显示，多数气溶胶呈现出有机壳包裹炭黑和无机核心的结构，表明BBOA在输送过程中经历了二次处理和老化过程。这些发现进一步支持了野火排放对平流层气溶胶组成和辐射特性的显著影响。

在实验设计方面，研究团队进行了六次飞行任务，分别覆盖了北美大陆和太平洋上空。飞行任务根据是否受到对流影响分为两类：调查飞行（survey flights）主要采集背景平流层气溶胶，而对流飞行（convection flights）则聚焦于受近期和老化对流影响的区域。每架飞机在飞行过程中根据对流层顶的高度设定采样阀的开启和关闭压力，以确保采集的样本主要来自平流层。此外，研究团队还通过结合地面雷达和卫星观测数据，识别了对流云的顶部和轨迹，从而进一步确认了样本的来源。

在数据处理过程中，研究团队采用了多种技术手段。首先，通过CCSEM/EDX对粒子进行元素分析，包括碳、氮、氧、硅、硫等常见元素。由于铜元素的背景信号可能来自TEM网格，因此在分析中被排除。而碳、氧和氮的元素含量被视为半定量分析，用于后续的聚类分析。通过K-means聚类算法，研究团队将粒子分为三个主要类别：有机影响硫酸盐（Cluster 1和Cluster 2）以及无机影响的物质（Cluster 3）。这些分类结果与已知的平流层气溶胶组成相一致，表明研究方法的有效性。

另一方面，STXM/NEXAFS技术用于分析粒子的碳化学成分及其混合状态。通过X射线吸收光谱，研究团队能够区分有机碳（OC）、元素碳（EC）和无机物质（IN）。OC代表非焦炭的有机物质，EC则对应于炭黑或焦炭，而IN包括硫酸盐、金属残留物等非碳成分。结果显示，约89%的粒子含有显著的OC成分，而约5%的粒子内部混合了EC。这种EC的存在进一步支持了野火产生的黑碳进入平流层的结论。同时，研究团队还发现，OC的体积分数在97%的粒子中超过0.1，平均值为0.37。这些数据表明，平流层中的有机成分主要来源于野火排放。

通过对粒子的形态和混合状态进行进一步分析，研究团队发现，大部分粒子呈现出有机壳包裹无机核心的结构，这可能意味着OC在输送过程中通过冷凝作用附着在已有的无机核心上。此外，EC通常位于无机核心的表面，并被有机壳所包围，表明其在平流层中经历了部分混合。这种结构特征与对流层中的生物质燃烧气溶胶形成机制一致，进一步支持了野火气溶胶通过对流系统进入平流层的可能性。

研究还发现，不同飞行任务中粒子的混合状态和组成存在一定的差异。例如，调查飞行（如RF15、RF18、RF21）中的粒子表现出更高的内部混合程度，这可能与平流层气溶胶的长期存留和大气处理有关。而对流飞行（如RF17、RF19、RF23）中的粒子则更多地受到近期对流活动的影响，表现出相对较低的EC含量。此外，某些粒子的OC质量分数异常高，这可能与季节性因素、气溶胶来源或飞行路径上的高臭氧浓度有关。尽管这些因素尚未完全明确，但它们表明，野火气溶胶对平流层气溶胶组成的改变具有显著影响。

总体来看，本研究揭示了野火气溶胶对平流层气溶胶组成和形态的深刻影响。通过详细的化学成像分析，研究团队不仅确认了野火产生的有机气溶胶和黑碳能够进入平流层，还进一步探讨了这些气溶胶在平流层中的演化过程。这种对气溶胶的深入理解对于评估其对气候系统的潜在影响至关重要。由于气溶胶在平流层中可以存留数月甚至数年，其改变可能具有长期性和累积性，进而影响全球气候模式。因此，未来的研究需要进一步探讨野火气溶胶对平流层辐射强迫、臭氧化学以及极地平流层云形成的影响，以更全面地评估其在全球环境中的作用。

此外，研究团队还分析了不同飞行任务中粒子的多样性。通过计算不同粒子的混合状态指数（χ），研究团队发现，尽管不同飞行任务的样本来源和环境条件存在差异，但整体的混合状态趋势基本一致。这表明，无论是背景气溶胶还是受对流影响的气溶胶，其混合状态和组成特征在平流层中具有一定的普遍性。然而，某些特定飞行任务（如RF15）中粒子的组成和混合状态存在显著差异，这可能与该区域的特殊环境条件或气溶胶来源有关。

综上所述，野火气溶胶的输送和演化对平流层的化学组成和光学特性产生了重要影响。研究结果不仅为理解野火对全球气候系统的潜在贡献提供了新的视角，也为未来在气候模型中更准确地模拟野火气溶胶的传输和影响提供了科学依据。随着野火频率的增加，其对平流层气溶胶的影响可能在未来变得更加显著，因此，深入研究这一现象对于预测气候变化趋势和制定相关应对策略具有重要意义。