《Atmospheric Environment》：Morphology of submicrometer water-insoluble particles in a Greenland ice core during recent and early twentieth-century periods: estimation of deposition fluxes of combustion particles
编辑推荐：
从历史上看，人为燃烧活动向大气中排放了黑碳（BC）和有机气溶胶，造成了全球污染并影响了地球的辐射平衡。对冰芯档案的详细分析对于提高我们对过去气溶胶排放及其气候影响的理解至关重要。在本研究中，研究人员利用雾化器系统结合水透析，并使用单颗粒黑碳光度计（SP2）进行
从历史上看，人为燃烧活动向大气中排放了黑碳（BC）和有机气溶胶，造成了全球污染并影响了地球的辐射平衡。对冰芯档案的详细分析对于提高我们对过去气溶胶排放及其气候影响的理解至关重要。在本研究中，研究人员利用雾化器系统结合水透析，并使用单颗粒黑碳光度计（SP2）进行BC测量，对格陵兰东南部冰芯中的亚微米水不溶性（WI）颗粒进行了透射电子显微镜（TEM）样本观察。研究人员分析了1910年（BC浓度较高的时期）和2013年（模型显示夏季受大型生物质燃烧影响，而其他季节受人为影响）的样本。大部分WI颗粒为碳质颗粒，包括聚集体和球体，具有典型的燃烧颗粒形态特征。根据TEM分析结果和BC浓度，研究人员估算了它们的质量沉积通量值（Fx）。对于70–1000 nm的WI颗粒，2013年BC和富有机质颗粒的Fx值分别为0.05–0.8 mg m-2 season-1和0.3–0.8 mg m-2 season-1，1910年则分别为0.5–1.7 mg m-2 season-1和0.5–1.2 mg m-2 season-1。碳质聚集体的Fx值在1910年高于2013年（夏季除外）。主要含有机物的聚集体在1910年样本中被发现，而在2013年样本中几乎不存在，同时还有含烟灰的聚集体，这表明木材燃烧的贡献。这些结果表明，约100年前污染时期的人为燃烧活动向大气中排放了大量亚微米WI有机颗粒以及BC。BC测量与TEM分析的结合，在应用于各种清洁积雪样本时，有望用于估算按形态和成分分类的有机物和痕量金属的量。
论文解读：格陵兰冰芯中的亚微米水不溶性燃烧颗粒形态与沉积通量研究
一、研究背景与科学问题
人为燃烧活动（如化石燃料和生物质燃烧）向大气中释放了大量黑碳（black carbon, BC）和有机气溶胶，这些颗粒通过吸收和散射辐射直接扰动地球能量收支，并在沉降到冰雪表面后降低反照率，形成正反馈效应。冰芯作为过去大气环境的档案，记录了历史时期燃烧排放的变化，对理解工业革命以来大气环境演变和预测未来气候具有重要意义。然而，现有研究多集中于BC浓度的重建，对燃烧来源的亚微米水不溶性（water-insoluble, WI）颗粒的长期平均丰度、形态特征和组成知之甚少。传统扫描电子显微镜（SEM）方法因过滤膜厚度和碳质颗粒与膜材料难以区分等局限，无法有效观测亚微米级颗粒。因此，研究人员利用一种新开发的雾化器-级联撞击器结合水透析技术，在透射电子显微镜（TEM）下观察格陵兰冰芯中的WI颗粒，并尝试估算其沉积通量，以填补这一认知空白。
二、研究内容与主要发现
本研究选取格陵兰东南部SE-Dome II冰芯（250.79 m深度，年积累率约1.04 m w.e.）中两个时间段的季节样本：1910年（BC高浓度期，无明显生物质燃烧事件影响）和2013年（有可靠的模型验证数据，夏季受生物质燃烧影响，其他季节以人为源为主）。通过单颗粒黑碳光度计（SP2）测量BC浓度，并结合全球气候模型CAM-ATRAS模拟的BC来源贡献，确定样本的代表性。TEM-EDS分析揭示了WI颗粒的形态和元素组成，主要分为聚集体、球体和其他形貌，其中碳质颗粒占主导。基于BC浓度和TEM体积分数，研究人员估算了各类型颗粒的质量沉积通量（Fx）。
主要发现包括：
1. BC浓度在1910年约3 ng g
-1，1950年后降至2 ng g
-1以下，2000年后低于1 ng g
-1，与格陵兰其他冰芯记录的工业革命后BC上升趋势一致。
2. 碳质聚集体根据单体大小进一步分为soot（烟灰）、soot-organic混合和有机质聚集体；球体分为碳球（tar ball）和飞灰（fly ash）。其中烟灰单体直径呈双峰分布，峰值分别在43 nm和78 nm附近，可区分化石燃料燃烧和木材燃烧来源。
3. 2013年夏季样本中，含烟灰的有机聚集体（C aggregate 2）和碳颗粒（C grain）占主导，与生物质燃烧事件对应；而其他季节人为源贡献较大。4. 1910年样本中，有机质聚集体（C aggregate 3）占相当比例，且总有机质颗粒通量高于2013年，指示百年前人为燃烧活动（包括木材燃烧）排放了大量WI有机颗粒。
三、主要技术方法
本研究采用以下关键技术手段：
1. 样本制备：使用雾化器-级联撞击器系统从融化冰芯中提取颗粒，通过水透析去除水溶性物质，将不溶性颗粒收集到TEM网格上。
2. 测量分析：利用SP2测量BC质量浓度和粒径分布（70–3000 nm）；利用TEM-EDS进行颗粒形态观察和元素组成分析，通过图像分析软件统计颗粒尺寸与体积分数。
3. 来源模拟：采用CAM-ATRAS全球气候模型模拟BC沉积通量和来源区域，辅助解释季节变化。
研究样本来自格陵兰SE-Dome II冰芯，钻孔于2021年，时间跨度1799–2020年，年积累率较高，分辨率可达到季节尺度。
四、结果详解
（一）BC记录
冰芯MBC显示1910年代高值（约3 ng g
-1），随后下降。2013年夏季MBC峰值达到3.87 ng g
-1，模型模拟表明该峰值主要来自北美生物质燃烧贡献，而其他季节以欧洲、北美、中亚和东亚的人为源为主。
（二）WI颗粒形态分类
TEM观察发现，大多数WI颗粒为碳质聚集体和球体，少数为金属聚集体和飞灰。根据单体直径和元素组成，碳质聚集体分为soot（dL<70 nm）、soot-organic混合（dS<70 nm
70 nm）。球体分为碳球（tar ball）和飞灰（含Si、Al、Fe的金属球体）。其他形态包括碳颗粒、矿物颗粒等。
（三）2013年颗粒特征与季节差异
夏季受生物质燃烧影响，C aggregate 2（含烟灰的有机物）和C grain（碳颗粒）的沉积通量显著升高，而C sphere（tar ball）通量与其他季节差异不大。春季矿物粉尘通量较高，但可能来自大颗粒破碎的碎片。
（四）1910年与2013年对比
1910年BC和有机质颗粒总通量高于2013年，尤其是有机质聚集体（C aggregate 3）在1910年明显存在，而2013年几乎消失。飞灰和碳球的通量在两个时期差异较小。这表明百年前的人为燃烧（包括木材和煤炭）效率较低，导致更多不溶性有机颗粒释放。
五、讨论与结论
研究结果表明，在BC高浓度时期（1910年代），亚微米WI有机颗粒（包括聚集体和球体）以与烟灰相当或更高的通量存在。这些有机颗粒可能包含具有光吸收特性的棕碳（brown carbon），并可能作为冰核影响极地云形成。本研究首次通过冰芯TEM分析估算出形态和成分分类的长期平均颗粒通量，克服了以往只能获得相对比例或瞬时值的局限。虽然通量估算存在一定不确定性（如颗粒密度假设和BC与TEM测量的匹配问题），但该方法已成功应用于洁净冰芯样本，未来可推广至其他积累样本，为重建燃烧排放历史提供新工具。研究结论强调，约100年前的人为燃烧活动不仅是BC的重要来源，也是大量亚微米不溶性有机颗粒的贡献者，这一发现对评估历史气溶胶的辐射效应和气候影响具有重要意义。
