大气复合污染条件下新粒子生成和增长机制及其环境影响

doi:10.6023/A16020105

摘要/Abstract

新粒子生成与增长是一个从分子到纳米颗粒物的微观尺度演变过程, 对区域到全球尺度空气质量和气候造成显著影响. 总结了国内外对新粒子生成与增长物理化学机制的研究进展和局限性. 提出以揭示新粒子生成、增长及其产生环境效应的机制为核心目标, 利用外场观测、烟雾箱模拟和模式模拟等多种手段, 开发和应用先进的研究技术, 辨识参与并促使快速成核的关键前体物种, 弄清驱动新粒子初始和后续增长的化学和物理机制, 以揭示大气复合污染条件下快速成核和持续增长的条件与机制并评价新粒子对大气环境的影响. 在全面理解大气复合污染条件下成核和增长机制及其环境效应的基础上提高对区域霾形成机制的认识, 也推进国际相关领域对污染大气环境新粒子生成与增长机制普遍性和差异性的研究.

关键词: 新粒子生成, 颗粒物增长, 转化机制, 环境效应, 大气复合污染

New particle formation (NPF) and its subsequent growth plays a key role in air quality and climate change at regional and global scales. Especially under complex air pollution in China, nucleation and growth can be highly efficient, claimed to be a main source of cloud condensation nuclei (CCN) and an important cause of secondary aerosol pollution. Currently, the mechanism of particle formation and growth as well as its environmental effects are still poorly understood. Thereby, fully understanding of the atmospheric nucleation and subsequent growth still presents a big challenge to atmospheric chemistry researches. This study reviews the current results from studies on mechanisms and environmental effects of atmospheric nucleation and growth. We summarize that traditional nucleation theories such as binary nucleation of H₂SO₄-H₂O, ternary nucleation of H₂SO₄-NH₃-H₂O, ion-induced nucleation are not capable in explaining new particle formation under complex air pollution, while newly proposed mechanisms such as organic acids and amine induced nucleation were not verified because of technique limitation. We propose that the future researches should focus on identifying the key chemical precursor response for driving nucleation and initial and subsequent growth, and understand the physical and chemical processing of new particle formation and growth. In particularly, application and development of novel techniques, such as APi-TOF-CIMS, PSM, Nano-HTDMA in new particle formation study is very important. Also, future researches should establish whole process tracking on new particle formation, from precursor, nucleation, growth till the environmental effects, by integrating field observation, chamber simulation, and modelling. Currently, the mechanism of highly efficient nucleation and rapid growth taking place under complex air pollution in China is urgently needed to be in-depth studied in order to improve our understanding of regional haze formation. This could be helpful to understand the similarity and difference in the nucleation mechanism between clean and polluted atmospheric environments.

Key words: new particle formation, particle growth, transformation mechanism, environmental impact, complex air pollution

引用此文

胡敏, 尚冬杰, 郭松, 吴志军. 大气复合污染条件下新粒子生成和增长机制及其环境影响[J]. 化学学报, 2016, 74(5): 385-391.

Hu Min, Shang Dongjie, Guo Song, Wu Zhijun. Mechanism of New Particle Formation and Growth as well as Environmental Effects under Complex Air Pollution in China[J]. Acta Chim. Sinica, 2016, 74(5): 385-391.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Kulmala, M. Science 2003, 302, 1000.
[2] Zhang, R. Science 2010, 328, 1366.
[3] Wiedensohler, A.; Birmili, W.; Nowak, A.; Sonntag, A.; Weinhold, K.; Merkel, M.; Wehner, B.; Tuch, T.; Pfeifer, S.; Fiebig, M.; Fjäraa, A. M.; Asmi, E.; Sellegri, K.; Depuy, R.; Venzac, H.; Villani, P.; Laj, P.; Aalto, P.; Ogren, J. A.; Swietlicki, E.; Williams, P.; Roldin, P.; Quincey, P.; Hüglin, C.; Fierz-Schmidhauser, R.; Gysel, M.; Weingartner, E.; Riccobono, F.; Santos, S.; Grüning, C.; Faloon, K.; Beddows, D.; Harrison, R.; Monahan, C.; Jennings, S. G.; O'Dowd, C. D.; Marinoni, A.; Horn, H. G.; Keck, L.; Jiang, J.; Scheckman, J.; McMurry, P. H.; Deng, Z.; Zhao, C. S.; Moerman, M.; Henzing, B.; de Leeuw, G.; Löschau, G.; Bastian, S. Atmos. Meas. Tech. 2012, 5, 657.
[4] Carslaw, K. S.; Lee, L. A.; Reddington, C. L.; Pringle, K. J.; Rap, A.; Forster, P. M.; Mann, G. W.; Spracklen, D. V.; Woodhouse, M. T.; Regayre, L. A.; Pierce, J. R. Nature 2013, 503, 67.
[5] Guo, S.; Hu, M.; Zamora, M. L.; Peng, J.; Shang, D.; Zheng, J.; Du, Z.; Wu, Z.; Shao, M.; Zeng, L.; Molina, M. J.; Zhang, R. Proc. Natl. Acad. Sci. 2014, 111, 17373.
[6] Sioutas, C.; Delfino, R. J.; Singh, M. Environ. Health Perspect. 2005, 113, 947.
[7] Zhang, R.; Khalizov, A.; Wang, L.; Hu, M.; Xu, W. Chem. Rev. 2012, 112, 1957.
[8] Kulmala, M.; Lehtinen, K. E. J.; Laaksonen, A. Atmos. Chem. Phys. 2006, 6, 787.
[9] Wang, Z. B.; Hu, M.; Yue, D. L.; Zheng, J.; Zhang, R. Y.; Wiedensohler, A.; Wu, Z. J.; Nieminen, T.; Boy, M. Atmos. Chem. Phys. 2011, 11, 12663.
[10] Kulmala, M.; Pirjola, L.; Makela, J. M. Nature 2000, 404, 66.
[11] Kerminen, V. M.; Petäjä, T.; Manninen, H. E.; Paasonen, P.; Nieminen, T.; Sipilä, M.; Junninen, H.; Ehn, M.; Gagné, S.; Laakso, L.; Riipinen, I.; Vehkamäki, H.; Kurten, T.; Ortega, I. K.; Dal Maso, M.; Brus, D.; Hyvärinen, A.; Lihavainen, H.; Leppä, J.; Lehtinen, K. E. J.; Mirme, A.; Mirme, S.; Hõrrak, U.; Berndt, T.; Stratmann, F.; Birmili, W.; Wiedensohler, A.; Metzger, A.; Dommen, J.; Baltensperger, U.; Kiendler-Scharr, A.; Mentel, T. F.; Wildt, J.; Winkler, P. M.; Wagner, P. E.; Petzold, A.; Minikin, A.; Plass- Dülmer, C.; Pöschl, U.; Laaksonen, A.; Kulmala, M. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 10829.
[12] Kirkby, J.; Curtius, J.; Almeida, J.; Dunne, E.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Franchin, A.; Gagne, S.; Ickes, L.; Kurten, A.; Kupc, A.; Metzger, A.; Riccobono, F.; Rondo, L.; Schobesberger, S.; Tsagkogeorgas, G.; Wimmer, D.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Dommen, J.; Downard, A.; Ehn, M.; Flagan, R. C.; Haider, S.; Hansel, A.; Hauser, D.; Jud, W.; Junninen, H.; Kreissl, F.; Kvashin, A.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Lima, J.; Lovejoy, E. R.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; Mikkila, J.; Minginette, P.; Mogo, S.; Nieminen, T.; Onnela, A.; Pereira, P.; Petaja, T.; Schnitzhofer, R.; Seinfeld, J. H.; Sipila, M.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tome, A.; Vanhanen, J.; Viisanen, Y.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Walther, H.; Weingartner, E.; Wex, H.; Winkler, P. M.; Carslaw, K. S.; Worsnop, D. R.; Baltensperger, U.; Kulmala, M. Nature 2011, 476, 429.
[13] O'Dowd, C. D. J. Geophys. Res. 2001, 106, 1545.
[14] Allan, J. D.; Williams, P. I.; Najera, J.; Whitehead, J. D.; Flynn, M. J.; Taylor, J. W.; Liu, D.; Darbyshire, E.; Carpenter, L. J.; Chance, R.; Andrews, S. J.; Hackenberg, S. C.; McFiggans, G. Atmos. Chem. Phys. 2015, 15, 5599.
[15] Wang, Z.; Hu, M.; Wu, Z.; Yue, D. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 519. (王志斌, 胡敏, 吴志军, 岳玎利, 化学学报, 2013, 71, 519.)
[16] Zhang, R.; Suh, I.; Zhao, J.; Zhang, D.; Fortner, E. C.; Tie, X.; Molina, L. T.; Molina, M. J. Science 2004, 304, 1487.
[17] Almeida, J.; Schobesberger, S.; Kurten, A.; Ortega, I. K.; Kupiainen-Maatta, O.; Praplan, A. P.; Adamov, A.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Dommen, J.; Donahue, N. M.; Downard, A.; Dunne, E.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Flagan, R. C.; Franchin, A.; Guida, R.; Hakala, J.; Hansel, A.; Heinritzi, M.; Henschel, H.; Jokinen, T.; Junninen, H.; Kajos, M.; Kangasluoma, J.; Keskinen, H.; Kupc, A.; Kurten, T.; Kvashin, A. N.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Leiminger, M.; Leppa, J.; Loukonen, V.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; McGrath, M. J.; Nieminen, T.; Olenius, T.; Onnela, A.; Petaja, T.; Riccobono, F.; Riipinen, I.; Rissanen, M.; Rondo, L.; Ruuskanen, T.; Santos, F. D.; Sarnela, N.; Schallhart, S.; Schnitzhofer, R.; Seinfeld, J. H.; Simon, M.; Sipila, M.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tome, A.; Trostl, J.; Tsagkogeorgas, G.; Vaattovaara, P.; Viisanen, Y.; Virtanen, A.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Weingartner, E.; Wex, H.; Williamson, C.; Wimmer, D.; Ye, P.; Yli-Juuti, T.; Carslaw, K. S.; Kulmala, M.; Curtius, J.; Baltensperger, U.; Worsnop, D. R.; Vehkamaki, H.; Kirkby, J. Nature 2013, 502, 359.
[18] Riccobono, F.; Schobesberger, S.; Scott, C. E.; Dommen, J.; Ortega, I. K.; Rondo, L.; Almeida, J.; Amorim, A.; Bianchi, F.; Breitenlechner, M.; David, A.; Downard, A.; Dunne, E. M.; Duplissy, J.; Ehrhart, S.; Flagan, R. C.; Franchin, A.; Hansel, A.; Junninen, H.; Kajos, M.; Keskinen, H.; Kupc, A.; Kürten, A.; Kvashin, A. N.; Laaksonen, A.; Lehtipalo, K.; Makhmutov, V.; Mathot, S.; Nieminen, T.; Onnela, A.; Petäjä, T.; Praplan, A. P.; Santos, F. D.; Schallhart, S.; Seinfeld, J. H.; Sipilä, M.; Spracklen, D. V.; Stozhkov, Y.; Stratmann, F.; Tomé, A.; Tsagkogeorgas, G.; Vaattovaara, P.; Viisanen, Y.; Vrtala, A.; Wagner, P. E.; Weingartner, E.; Wex, H.; Wimmer, D.; Carslaw, K. S.; Curtius, J.; Donahue, N. M.; Kirkby, J.; Kulmala, M.; Worsnop, D. R.; Baltensperger, U. Science 2014, 344, 717.
[19] Kulmala, M.; Kontkanen, J.; Junninen, H.; Lehtipalo, K.; Manninen, H. E.; Nieminen, T.; Petäjä, T.; Sipilä, M.; Schobesberger, S.; Rantala, P.; Franchin, A.; Jokinen, T.; Järvinen, E.; äijälä, M.; Kangasluoma, J.; Hakala, J.; Aalto, P. P.; Paasonen, P.; Mikkilä, J.; Vanhanen, J.; Aalto, J.; Hakola, H.; Makkonen, U.; Ruuskanen, T.; Mauldin, R. L.; Duplissy, J.; Vehkamäki, H.; Bäck, J.; Kortelainen, A.; Riipinen, I.; Kurtén, T.; Johnston, M. V.; Smith, J. N.; Ehn, M.; Mentel, T. F.; Lehtinen, K. E. J.; Laaksonen, A.; Kerminen, V.-M.; Worsnop, D. R. Science 2013, 339, 943.
[20] Paasonen, P.; Olenius, T.; Kupiainen, O.; Kurtén, T.; Petäjä, T.; Birmili, W.; Hamed, A.; Hu, M.; Huey, L. G.; Plass-Duelmer, C.; Smith, J. N.; Wiedensohler, A.; Loukonen, V.; McGrath, M. J.; Ortega, I. K.; Laaksonen, A.; Vehkamäki, H.; Kerminen, V. M.; Kulmala, M. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 9113.
[21] Wang, Z. B.; Hu, M.; Mogensen, D.; Yue, D. L.; Zheng, J.; Zhang, R. Y.; Liu, Y.; Yuan, B.; Li, X.; Shao, M.; Zhou, L.; Wu, Z. J.; Wiedensohler, A.; Boy, M. Atmos. Chem. Phys. 2013, 13, 11157.
[22] Sipilä, M.; Berndt, T.; Petäjä, T.; Brus, D.; Vanhanen, J.; Stratmann, F.; Patokoski, J.; Mauldin, R. L.; Hyvärinen, A.-P.; Lihavainen, H.; Kulmala, M. Science 2010, 327, 1243.
[23] Zhang, R.; Wang, G.; Guo, S.; Zamora, M. L.; Ying, Q.; Lin, Y.; Wang, W.; Hu, M.; Wang, Y. Chem. Rev. 2015, 115, 3803.
[24] Kulmala, M.; Kerminen, V.-M. Atmos. Res. 2008, 90, 132.
[25] Riipinen, I.; Yli-Juuti, T.; Pierce, J. R.; Petäjä, T.; Worsnop, D. R.; Kulmala, M.; Donahue, N. M. Nat. Geosci. 2012, 5, 453.
[26] Kiendler-Scharr, A.; Wildt, J.; Dal Maso, M.; Hohaus, T.; Kleist, E.; Mentel, T. F.; Tillmann, R.; Uerlings, R.; Schurr, U.; Wahner, A. Nature 2009, 461, 381.
[27] Xu, W.; Gomez-Hernandez, M.; Guo, S.; Secrest, J.; Marrero-Ortiz, W.; Zhang, A. L.; Zhang, R. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15477.
[28] Ehn, M.; Thornton, J. A.; Kleist, E.; Sipilä, M.; Junninen, H.; Pullinen, I.; Springer, M.; Rubach, F.; Tillmann, R.; Lee, B.; Lopez-Hilfiker, F.; Andres, S.; Acir, I.-H.; Rissanen, M.; Jokinen, T.; Schobesberger, S.; Kangasluoma, J.; Kontkanen, J.; Nieminen, T.; Kurtén, T.; Nielsen, L. B.; Jørgensen, S.; Kjaergaard, H. G.; Canagaratna, M.; Maso, M. D.; Berndt, T.; Petäjä, T.; Wahner, A.; Kerminen, V.-M.; Kulmala, M.; Worsnop, D. R.; Wildt, J.; Mentel, T. F. Nature 2014, 506, 476.
[29] Wang, L.; Khalizov, A. F.; Zheng, J.; Xu, W.; Ma, Y.; Lal, V.; Zhang, R. Nat. Geosci. 2010, 3, 238.
[30] Dusek, U.; Frank, G. P.; Curtius, J.; Drewnick, F.; Schneider, J.; Kürten, A.; Rose, D.; Andreae, M. O.; Borrmann, S.; Pöschl, U. Geophys. Res. Lett. 2010, 37.
[31] Smith, J. N.; Dunn, M. J.; VanReken, T. M.; Iida, K.; Stolzenburg, M. R.; McMurry, P. H.; Huey, L. G. Geophys. Res. Lett. 2008, 35, 228.
[32] Bzdek, B. R.; Zordan, C. A.; Luther, G. W.; Johnston, M. V. Aerosol Sci. Technol. 2011, 45, 1041.
[33] Guo, S.; Hu, M.; Guo, Q.; Shang, D. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 658. (郭松, 胡敏, 郭庆丰, 尚冬杰, 化学学报, 2014, 72, 658.)
[34] Guo, S.; Hu, M.; Shang, D.; Guo, Q.; Hu, W. Acta Chim. Sinica 2014, 72, 145. (郭松, 胡敏, 尚冬杰, 郭庆丰, 胡伟伟, 化学学报, 2014, 72, 145.)
[35] Kerminen, V. M.; Paramonov, M.; Anttila, T.; Riipinen, I.; Fountoukis, C.; Korhonen, H.; Asmi, E.; Laakso, L.; Lihavainen, H.; Swietlicki, E.; Svenningsson, B.; Asmi, A.; Pandis, S. N.; Kulmala, M.; Petäjä, T. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 12037.
[36] Spracklen, D. V.; Carslaw, K. S.; Kulmala, M.; Kerminen, V.-M.; Sihto, S.-L.; Riipinen, I.; Merikanto, J.; Mann, G. W.; Chipperfield, M. P.; Wiedensohler, A.; Birmili, W.; Lihavainen, H. Geophys. Res. Lett. 2008, 35, 160.
[37] Yue, D. L.; Hu, M.; Zhang, R. Y.; Wu, Z. J.; Su, H.; Wang, Z. B.; Peng, J. F.; He, L. Y.; Huang, X. F.; Gong, Y. G.; Wiedensohler, A. Atmos. Environ. 2011, 45, 6070.
[38] Kazil, J.; Stier, P.; Zhang, K.; Quaas, J.; Kinne, S.; O'Donnell, D.; Rast, S.; Esch, M.; Ferrachat, S.; Lohmann, U.; Feichter, J. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 10733.
[39] Peng, J. F.; Hu, M.; Wang, Z. B.; Huang, X. F.; Kumar, P.; Wu, Z. J.; Guo, S.; Yue, D. L.; Shang, D. J.; Zheng, Z.; He, L. Y. Atmos. Chem. Phys. 2014, 14, 10249.
[40] Zhu, Y.; Sabaliauskas, K.; Liu, X.; Meng, H.; Gao, H.; Jeong, C.-H.; Evans, G. J.; Yao, X. Atmos. Environ. 2014, 98, 655.
[41] Wehner, B.; Wiedensohler, A.; Tuch, T. M.; Wu, Z. J.; Hu, M.; Slanina, J.; Kiang, C. S. Geophys. Res. Lett. 2004, 31, 217.
[42] Wu, Z.; Hu, M.; Liu, S.; Wehner, B.; Bauer, S.; Ma ßling, A.; Wiedensohler, A.; Petäjä, T.; Dal Maso, M.; Kulmala, M. J. Geophys. Res. 2007, 112, D09209.
[43] Leng, C.; Zhang, Q.; Tao, J.; Zhang, H.; Zhang, D.; Xu, C.; Li, X.; Kong, L.; Cheng, T.; Zhang, R.; Yang, X.; Chen, J.; Qiao, L.; Lou, S.; Wang, H.; Chen, C. Atmos. Chem. Phys. 2014, 14, 11353.
[44] Wang, Z. B.; Hu, M.; Sun, J. Y.; Wu, Z. J.; Yue, D. L.; Shen, X. J.; Zhang, Y. M.; Pei, X. Y.; Cheng, Y. F.; Wiedensohler, A. Atmos. Chem. Phys. 2013, 13, 12495.
[45] Wang, H.; Zhu, B.; Shen, L.; An, J.; Yin, Y.; Kang, H. Atmos. Res. 2014, 150, 42.
[46] Lin, P.; Hu, M.; Wu, Z.; Niu, Y.; Zhu, T. Atmos. Environ. 2007, 41, 6784.
[47] Gong, Y.; Su, H.; Cheng, Y.; Liu, F.; Wu, Z.; Hu, M.; Zeng, L.; Zhang, Y. Adv. Atmos. Sci. 2008, 25, 427.
[48] Yue, D. L.; Hu, M.; Wang, Z. B.; Wen, M. T.; Guo, S.; Zhong, L. J.; Wiedensohler, A.; Zhang, Y. H. Atmos. Environ. 2013, 76, 181.
[49] Kivekäs, N.; Sun, J.; Zhan, M.; Kerminen, V. M.; Hyvärinen, A.; Komppula, M.; Viisanen, Y.; Hong, N.; Zhang, Y.; Kulmala, M.; Zhang, X. C.; Deli, G.; Lihavainen, H. Atmos. Chem. Phys. 2009, 9, 5461.
[50] Shen, X. J.; Sun, J. Y.; Zhang, Y. M.; Wehner, B.; Nowak, A.; Tuch, T.; Zhang, X. C.; Wang, T. T.; Zhou, H. G.; Zhang, X. L.; Dong, F.; Birmili, W.; Wiedensohler, A. Atmos. Chem. Phys. 2011, 11, 1565.
[51] Chen, C.; Hu, M.; Wu, Z. J.; Wu, Y. S.; Guo, S.; Chen, W. T.; Luo, B.; Shao, M.; Zhang, Y. H.; Xie, S. D. China Environ. Sci. 2014, 34, 2764. (陈晨, 胡敏, 吴志军, 吴宇声, 郭松, 陈文泰, 罗彬, 邵敏, 张远航, 谢绍东, 中国环境科学, 2014, 34, 2764.)
[52] Yue, D. L.; Hu, M.; Zhang, R. Y.; Wang, Z. B.; Zheng, J.; Wu, Z. J.; Wiedensohler, A.; He, L. Y.; Huang, X. F.; Zhu, T. Atmos. Chem. Phys. 2010, 10, 4953.
[53] Yu, F.; Hallar, A. G. J. Geophys. Res.-Atmos. 2014, 119, 12.
[54] Yu, F. J. Geophys. Res. 2010, 115, D03206.
[55] Yu, F.; Luo, G.; Liu, X.; Easter, R. C.; Ma, X.; Ghan, S. J. Atmos. Chem. Phys. 2012, 12, 11451.
[56] Li, Q.; Jiang, J.; Hao, J. KONA Powder Part. J. 2015, 32, 57.
[57] Nie, W.; Ding, A.; Wang, T.; Kerminen, V. M.; George, C.; Xue, L.; Wang, W.; Zhang, Q.; Petaja, T.; Qi, X.; Gao, X.; Wang, X.; Yang, X.; Fu, C.; Kulmala, M. Sci. Rep. 2014, 4, 6634."