[论文解读] Oxidized organic molecules in the tropical free troposphere over Amazonia

Diego Aliaga, Radovan Krejčí+26 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2023

Atmospheric chemistry and aerosols被引用 2

一句话总结

本研究首次通过在玻利维亚高海拔查卡塔亚站（5240 米）使用先进质谱技术，在亚马孙雨林上空热带自由对流层（FT）的气相和颗粒相中直接观测到氧化有机分子（OOMs）的分子级特征。OOMs 主要为 C4–C5 化合物，通过气团后向轨迹分析与遥远雨林的异戊二烯排放相关联，其存在支持其在新粒子成核与增长中发挥关键作用，显著推进了对热带 FT 生物气溶胶形成机制的理解。

ABSTRACT

New particle formation (NPF) in the tropical free troposphere (FT) is a globally important source of cloud condensation nuclei, affecting cloud properties and climate. Oxidized organic molecules (OOMs) produced from biogenic volatile organic compounds are believed to contribute to aerosol formation in the tropical FT, but without direct chemical observations. We performed in-situ molecular-level OOMs measurements at the Bolivian station Chacaltaya at 5240 meters above sea level, on the western edge of Amazonia. For the first time, we demonstrate the presence of OOMs, mainly with 4-5 carbon atoms, simultaneously in both gas and particulate phases in tropical FT air from Amazonia. These observations, combined with air mass history analyses, indicate that the observed OOMs are linked to isoprene emitted from the rainforests hundreds of kilometers away. Based on particle-phase measurements, we find that these compounds can contribute to the growth of newly formed particles, and are potentially crucial for new particle formation in the tropical free troposphere on a continental scale. Our study will thus improve the understanding of aerosol formation process in the tropics.

研究动机与目标

• 在新粒子成核（NPF）为主要云 condensation nuclei（CCN）来源的热带自由对流层（FT）区域，直接观测亚马孙雨林上空的氧化有机分子（OOMs）。
• 确定受亚马孙生物排放影响的 FT 气团中 OOMs 的分子组成及其在气相与颗粒相中的分布特征。
• 通过气团历史分析，将观测到的 OOMs 与特定排放源关联，并明确其在新粒子成核与增长中的作用。
• 增进对驱动热带 FT 气溶胶形成的化学机制的理解，该过程具有全球气候影响意义。

提出的方法

• 在玻利维亚查卡塔亚全球大气观测站（5240 米）使用尖端质谱仪（包括 CI-APi-TOF 和 FIGAERO HR-TOF-CIMS）对 OOMs 进行原位分子水平测量。
• 利用 FLEXPART-WRF 拉格朗日粒子扩散模型重建气团历史，追踪抵达查卡塔亚的气团起源与传输路径。
• 通过被动空气示踪剂计算源-受体关系（SRR），识别对 OOM 浓度有贡献的区域，特别聚焦亚马孙盆地。
• 同步测量颗粒物数谱分布和等效黑碳（eBC），以将气团分类为自由对流层（FT）、混合 FT 或受本地边界层（BL）影响的气团。
• 将数据按 FT 事件（夜间、水汽混合比 WVMR 和 eBC 较低）、非 FT 时段（白天、受边界层影响）和白天城市影响时段进行分层，以隔离 FT 化学过程。
• 应用统计分析与时间序列分析，关联 OOM 浓度与颗粒物增长、FT 条件及源区的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚马孙雨林上空热带自由对流层中，氧化有机分子（OOMs）的分子水平组成是什么？
• RQ2 OOMs 是否存在于热带 FT 的气相与颗粒相中？其主要碳原子数是多少？
• RQ3 观测到的 OOMs 的来源区域是什么？它们如何与生物源排放（如异戊二烯）关联？
• RQ4 OOMs 在热带 FT 中对新粒子成核与增长的贡献程度如何？
• RQ5 大气输送与对流过程在将 OOMs 输送至高海拔 FT 及其化学演化过程中起何种作用？

主要发现

• 在查卡塔亚热带自由对流层中，首次直接观测到 C4–C5 化合物（即 C4–C5 OOMs）在气相与颗粒相中的存在，标志着该区域首次实现此类分子水平的原位观测。
• 通过源-受体建模确认，观测到的 OOMs 主要与异戊二烯氧化相关，FT 事件期间亚马孙盆地的 SRR 强度显著。
• 颗粒相 OOMs 显著促进了超细颗粒物（UFPs）的增长，运输过程中 OOM 浓度与积聚模态颗粒物增加存在明显相关性。
• 气团历史分析表明，抵达查卡塔亚的 FT 气团主要源自亚马孙盆地，传输时间约为 2 天，与中尺度对流系统将生物源排放抬升至对流层的机制一致。
• 本研究证明，异戊二烯氧化生成的 OOMs 是热带自由对流层大陆尺度新粒子成核与增长的关键驱动力。
• 即使在低浓度下，FT 中 OOMs 的存在也表明其具有作为关键成核与增长介质的潜力，影响云 condensation nuclei（CCN）的形成及区域气候过程。