颗粒尺寸与挥发性有机物对木材燃烧产生的类野火棕碳光吸收特性的影响机制研究

本研究针对野火颗粒物(PM)排放中棕碳(BrC)的光吸收特性不明确问题，通过热分解平台耦合实时气溶胶监测系统，揭示了木材燃烧产生的BrC在300°C脱挥处理后的光学行为。研究发现PM0.1-2.5组分含高致癌性多环芳烃(PAHs)且光吸收能力达PM0.1的5倍，燃烧量从50mg增至600mg可使BrC质量吸收截面(MAC)提升2倍，而挥发性有机物(VOC)会降低MAC达40%。该成果为量化野火PM的气候效应提供了关键参数。

　　

随着气候变化加剧，全球野火发生频率和强度显著上升，其排放的颗粒物(PM)不仅威胁公众健康，还通过吸收太阳辐射影响气候。其中棕碳(BrC)作为有机碳(OC)的重要组分，因其复杂的光学特性成为气候模型不确定性的主要来源。尽管前期研究揭示了BrC中多环芳烃(PAHs)的吸光贡献，但关于颗粒尺寸分级与挥发性有机物(VOC)的协同影响机制仍存在知识空白。

为解决这一科学难题，国外研究团队在《Environment International》发表论文，通过自主研发的集成暴露生成系统(INEXS)平台，结合扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)、级联撞击器(CCI)和光声消光仪(PAX)等先进技术，首次量化了尺寸分级BrC的光吸收特性。研究选取松木(含retene)和橡木(含高MW PAHs)为模型燃料，通过控制燃烧质量(50-600mg)模拟不同强度野火排放，并在0-300°C温度区间进行热脱附以调控VOC含量。

3.1 野火模拟BrC PM_2.5的生成与表征
电镜分析显示，所有燃烧条件均产生球形BrC颗粒，与真实野火PM形貌高度一致。增加松木燃烧量从50mg至600mg，PM_2.5质量浓度提升5倍，平均迁移粒径从41nm增至87nm，且致癌性PAHs浓度显著上升。橡木燃烧产生的BrC含更多氧化PAHs，但光吸收效率(MAC_PM2.5=0.4m²/g)低于松木(0.6m²/g)，这与实际野火观测数据相符。

3.2 尺寸分级BrC的光吸收特性
突破性地发现PM_0.1-2.5组分的MAC_PM0.1-2.5是PM_0.1的2-5倍，且高MW(252-302g/mol)PAHs主要富集在大颗粒中。米氏理论计算证实，即使降低折射率虚部65%，粒径效应仍主导光吸收差异。这一发现解释了野火强度与BrC吸光能力的正相关性。

3.3 VOC对BrC光吸收的影响
热脱附实验表明，VOC含量(VOC/TC)从0增至75%时，MAC_PM2.5降低40%。但比较不同燃烧量发现，含35%更多VOC的50mg样品MAC仍比600mg样品低50%，证明粒径仍是光吸收的决定性因素。

该研究首次建立尺寸分级BrC的光吸收数据库，揭示了PAHs分布与颗粒尺寸的关联规律。所获MAC参数可直接耦合气候模型，提升野火辐射强迫预测精度。未来研究可拓展至更多燃料类型及老化过程模拟，为制定野火PM减排策略提供科学依据。