黑碳气溶胶BC

Black Carbon

 

碳类气溶胶是大气气溶胶中的重要组成部分，它包括有机碳和黑碳。黑碳气溶胶（Black Carbon）是含碳物质不完全燃烧产生的一种无定型碳质，基本上涉及到含碳物质燃烧的过程都会造成黑碳气溶胶的排放。
    黑碳气溶胶来源可分为自然源和人为源两种，火山爆发、森林大火等自然现象可以造成部分黑碳气溶胶排放，但由于此类自然现象的发生具有一定的区域性和偶然性，在区域或全球范围内，其对大气中黑碳气溶胶浓度的长期背景值变化贡献不大，相反，人为源排放具有广泛性和持续性。尤其是自工业革命以来，世界人口数量快速增长，人类大量使用煤、石油等化石燃料，出于农业目的的生物焚烧也大大增加，进而造成黑碳气溶胶排放量的持续增加，另外由汽车尾气带来的黑碳气溶胶排放也成为大气中尤其是城市区域大气中黑碳气溶胶的重要来源。
    黑碳气溶胶在大气中浓度较低，在大气气溶胶成分中所占比例也比较小，一般占百分之几或十几，在全球的浓度分布也具有明显的差别，一般情况下，黑碳气溶胶浓度城市地区高于乡村地区，大陆区域高于海洋区域，北半球高于南半球地区。
    黑碳气溶胶在光学性质上与气溶胶的其他组分有很大的差别，对从可见到红外的波长范围内的太阳辐射都有强烈的吸收作用，同大气温室气体如CO2、CH4、CFCs等相比，黑碳气溶胶具有更宽的吸收波段，另外，同沙尘等相比，其质量吸收系数要大两个数量级。黑碳气溶胶颗粒的粒径尺度范围一般在0.01～1μm，其粒径中值为0.1～0.2μm，尺度分布主要呈现积聚模态，因此黑碳气溶胶可以作为云凝结核，改变云滴尺度分布、云光学特性和云中液态水含量及云量。尽管新生黑碳气溶胶由于疏水性并不是有效的云凝结核，但是在大气传输过程中，其表面可能发生微物理和化学形态的改变，变成亲水性的云凝结核并能降低云凝结核所需要的过饱和度。同时黑碳气溶胶还可以促进一些气体污染物的气—粒转化过程。
    黑碳气溶胶在气溶胶气候强迫直接和间接作用中也占有重要的地位，因此全球大气中黑碳气溶胶气候效应的重要性也逐渐被人们所认识，成为气溶胶研究中的重点。
    单个气溶胶粒子可能包含不同种类的化学成分，如：硫酸盐，有机物，黑碳和沙尘等。它们通常是由难熔物质（黑碳、沙尘和海盐）为核和有机物、硫酸盐和硝酸盐为外壳组成的混合物。
    纯硫酸盐气溶胶主要散射太阳辐射并引起冷却，对这样的非吸收性气溶胶，大气顶处反射的太阳通量的增加几乎等于太阳辐射在地表的减少。结果，地表和大气都冷却，冷却的量值可由大气顶的气溶胶强迫估计得到。
    碳类气溶胶吸收和散射太阳辐射。即使在大气中存在微量的黑碳也能导致对太阳光的大量吸收，使到达地面的太阳辐射大大减少，观测研究已经证明了这一点。此外，黑碳吸收由地面和云反射的向上的太阳辐射，减少了太阳辐射返回太空，导致在大气顶处正的气溶胶强迫，与在地面造成的负强迫形成对比。在大气顶，黑碳的效应与硫酸盐和有机物的冷却效应相反；而在地面，所有气溶胶都是减少太阳辐射。净的结果是，气溶胶引起的太阳辐射通量在地面的变化（雪表面除外）远远超过在大气顶的变化。
    由黑碳强迫造成的地球表面变冷或变暖将依赖于大气和地表如何耦合在一起的细节，所以，地球上的不同地区不论在符号上还是在数量上都会有不同的反应。由于一些外场试验像对流层气溶胶辐射强迫观测试验，烟，云和辐射—巴西试验，气溶胶特征试验—II和印度洋试验（INDOEX）的发现，在气候变化研究中，吸光的、含黑碳气溶胶对辐射强迫的作用已经成为科学研究的前沿问题。
    最近，国际上开始用三维气候模式来估算黑碳气溶胶的辐射强迫，早期用辐射强迫的简单表达式进行的计算没有包括云区的贡献。目前，虽然云内黑碳的处理还很粗糙，但是这些估算却包括了云内和云上有黑碳区域的辐射强迫的总贡献。IPCC第三次评估报告（TAR）给出包含了来自化石燃料的黑碳气溶胶全球年平均辐射强迫的最新估计。研究表明，与硫酸盐气溶胶内部混合的黑碳会有较强的辐射强迫；当黑碳在云内或云上时，黑碳气溶胶的辐射强迫会加强；当黑碳在云下时，黑碳气溶胶的辐射强迫会减少。TAR给出的来自化石燃料的黑碳气溶胶全球平均的辐射强迫的最新估计为+0.2瓦/平方米，变化范围为：+0.1～+0.4瓦/平方米。不确定性源于黑碳与吸湿性气溶胶混合的模拟以及湿沉降过程，它们会影响到模拟的黑碳气溶胶的大气寿命和大气含量。另外，黑碳与其它气溶胶和云滴的混合也会影响到光学参数。但是，就目前研究给出的黑碳气溶胶的辐射强迫，仍然远远小于CO2自工业革命以来的辐射强迫2.43瓦/平方米和CO2加倍的辐射强迫3.7瓦/平方米。
    中国有关这方面的研究工作目前处于起步阶段。中国学者曾给出了烟尘（包括黑碳和有机碳）气溶胶直接辐射强迫冬季和夏季的全球分布，得出，冬季中国的最大中心位于青藏高原南部地区，为1瓦/平方米；夏季，东亚的部分地区出现了1瓦/平方米的中心。利用不同黑碳资料得出的辐射强迫分布和强度都有很大差别。即使是利用相同的资料输入，不同的GCM所模拟的结果也大不相同。国外学者用全球气候模式，对最近几十年来中国南方夏季洪水和北方干旱的增加趋势以及中国部分地区中等程度的降温趋势作了研究，发现，如果在加入的气溶胶中包含大量与观测值相当的吸收性黑碳，那么，模拟的降水和温度的变化与观测结果非常接近，可以部分地解释中国近几十年来所发生的气候变化。尽管他们模拟的中国云量的变化与1951-1994年间的观测事实不同，但是黑碳气溶胶影响中国气候变化成的事实可能已经变得不容忽视。我们有必要有进一步的研究和证实黑碳气溶胶的区域和全球气候效应。
    黑碳气溶胶源的排放、柱含量的计算、合理的气溶胶参数化方案、精确的辐射传输模式及所用的气候模式，对估算黑碳气溶胶辐射强迫和气候效应都会产生重要影响。目前对黑碳气溶胶辐射强迫及其气候效应的研究工作不确定性非常大；关于它的物理、化学和光学特性还不清楚，因此，有待于各国科学家进行深入、细致和全面的研究。(来源：中国气象局国家气候中心)