塑料颗粒揭示了大气中大颗粒物的跨半球传输过程和机制
近日，河口海岸学国家重点实验室研究人员联合多家单位在大气中微塑料等大颗粒物的跨半球传输过程和机制研究方面取得新进展，相关成果以“Long-range atmospheric transport of microplastics across the southern hemisphere”为题，发表于期刊Nature Communications.
研究背景
大气颗粒物有非常显著的气候环境效应，如亚微米粒径的颗粒对太阳辐射有较强的反射和散射作用，同时影响云的生成，因此可以影响大气辐射强迫。此外，大气颗粒物为非均相化学反应提供了场所，直接影响大气化学过程。因此，对大气颗粒物的研究一直是气候环境研究领域的前沿。前期大气颗粒物的研究主要集中在细颗粒组分上，对大气中大颗粒物（如几十μm到mm级）的研究较少。大气中的细颗粒气溶胶可以进行长距离传输，但大颗粒物是否能进行长距离传输？如果可以，多大尺寸的颗粒物能被大气长距离输移，主要影响因素是什么？针对这些问题，前期曾进行了模型模拟工作，但仍缺少关键的观测证据。为此，研究人员采集了低纬到南极跨半球尺度（超过100个纬度）海洋大气边界层中的总悬浮颗粒物，探讨大颗粒物的大气传输过程和影响因素。
研究结果
该研究发现，大气中的塑料颗粒只源于陆地人类活动的排放，因此可以很好地指示大颗粒物从陆地向偏远地区的传输。通过对采集样品中尺寸大于20μm颗粒物的形状、尺寸、化学组成、颜色等特征的分析，发现所有样品中均检测到塑料颗粒，占总颗粒数的~1/4，其它颗粒均来自于自然源物质，最大的颗粒长度达mm级，提示大颗粒物可以进行长距离大气传输。根据颗粒的形态，把颗粒分成纤维和碎片两大类，其中纤维颗粒占~80%。在空间分布上，两种类型的颗粒表现出显著的差异：碎片含量随纬度增加显著降低，而纤维含量在纬度分布上没有明显的变化趋势（图1），这表明纤维颗粒具有更高的大气传输效率。
图1 大气中大颗粒物（>20μm；包括塑料和非塑料颗粒）在不同纬度的空间分布特征。
借助理论计算，发现相同质量（或体积）的颗粒物，如果其形态为纤维（即细长型），比表面积更大，较小的裹挟风速可使其扬起进入大气，而近似于球状的颗粒则需要更大的扬起风速（图2），说明纤维状颗粒具有更高的大气传输效率。结合后向轨迹模型分析，发现这些大颗粒物源于中低纬陆地区域，随着离陆源距离的增加，大气中纤维颗粒含量基本稳定而碎片颗粒显著降低，这和其纬度梯度分布规律自洽。通过对塑料颗粒的化学组成分析，发现颗粒物在大气中的传输效率与其成分无关，主要受其形态特征影响。大气中塑料和非塑料颗粒传输的动力学过程相似，颗粒物的形态是影响其传输效率的决定性因素。
借助塑料颗粒的羰基指数分析发现，高纬度区域羰基指数值显著高于低纬度区域，指示了颗粒物在传输过程中经历了老化过程，也进一步说明了高纬度区域大气颗粒物源于中低纬长距离传输。这些观测结果为大气大颗粒物的长距离传输提供了关键观测证据，也为大气塑料颗粒的全球传输模拟提供了科学依据。此外，塑料颗粒在全球大气中的广泛分布，可能对大气辐射强迫、云凝结核、污染物迁移等产生潜在影响，其气候环境效应仍需进一步研究。
图2 不同形态颗粒物的大气扬起速度。其中L为颗粒物的长度，2r为直径（或截面宽度），L/2r比值越大，其形态越接近纤维。
研究团队及资助
该论文第一作者为华东师范大学河口海岸学国家重点实验室陈启晴研究员，通讯作者为华东师范大学地理科学学院史贵涛教授，参与研究单位包括University of Canterbury、New York University（Shanghai）、Victoria University of Wellington和ETH Zurich。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市优秀学术带头人项目等的联合资助。