黑碳气溶胶

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“ 怎样把黑碳气溶胶考虑进气 候变化的全球协议？”， 这也 是一个关键的问题。 在评价黑碳气溶胶的辐射 强迫效应时, 还有一个重要的问 题有待解决, 即实际大气中黑碳 气溶胶与其它气溶胶是怎样混 合的？混合方式如何？是内部 混合还是外部混合？它们的混 合比是多少？
讨论 燃烧排放的黑碳和有机碳颗粒可以增加环境中细粒子物质 （PM2.5）的浓度, 它们与太阳光的相互作用可以影响气候变化过程。 基于气候强迫和健康方面的考虑, 对于黑碳和有机碳的排放源、排放 清单、影响因子等的准确确定将具有非常重要的意义。 虽然目前在黑碳排放的评价上还很不准确，但是, 在相关的评价方法 和测量技术等方面的改进、提高都是非常必要的。同时, 最为关键的 是要通过多方面的努力尽量减少黑碳气溶胶的不确定因素, 包括排放 源、排放量、物理化学特性、辐射效果等。因此, 针对某一地区和全 球而言, 发展比较合理、准确、标准化的黑碳气溶胶测量方法和描述 方法已相当迫切。只有获得各个国家和地区比较准确的黑碳排放量 实测数据, 获得具有区域特点的黑碳气溶胶的各种特性, 才有可能比 较准确地评价黑碳气溶胶的各种影响和效果, 得到对各个国家和地区 乃至全球因黑碳气溶胶引起的全球变暖 黑碳气溶胶的排放与全球 变暖之间的关系, 黑碳气溶胶的气候效果等尚需进一步的实验和理论 验证, 但鉴于黑碳气溶胶在大气环境、人类健康等方面的“ 不良”影 响, 采取紧急措施, 减少并控制其排放是毋庸质疑的。
黑碳气溶胶来源：
北美和欧洲曾经是黑碳气溶胶的主要源区,工业革时期,前苏 • 黑碳来源于何处？它的实际排放量是多少 联也在黑碳气溶胶排放中占有一席之地,随着苏联解体, 放 ？它在大气以及全球的分布状况如何？它 的黑碳气溶胶有所减少,到20世纪后半期,随着发展中国家经 的辐射效果怎样？现在我们只是知道90% 济的发展,亚洲逐渐成为北极黑碳气溶胶的重要源区。目前, 的黑碳主要产生于化石和生物燃料的燃烧 由于黑碳气溶胶排放很难直接测定,化学输送模式存在数据 来源及模式本身的误差,使得精确判别黑碳气溶胶来源具有 ，如柴油、煤、喷气机油、天然气、煤油 一定的难度,特别是源自东亚、南亚的黑碳气溶胶所占比重, 、以及木材和生物燃烧, 其排放量以及在全 仍存在很大的 球的分布仍是非常不确定的。
• 因为它涉及的具体问题非常多、涉及面也非 常广, 如大气中的均相、非均相化学和光化 学反应机制它涉及到各种气体包括我们常说 的各种温室气体、以及数以千或万计的挥发 性有机物、水汽、水滴、冰晶、不同类型的 气溶胶粒子之间的各种物理化学过程, 太阳 辐射能量在如此复杂的体系内的利用和分配 规律等。虽然任务相当艰巨, 但对于这些微 观物理化学过程深人细致地了解,无疑将大 大增进我们对自然界的认识能力, 推动我们 在辐射传输与遥感、大气化学、气候模拟等 多方面的进步。因此, 这是一项具有重要意 义和价值的工作。但是, 这方面的研究进展 还要受到当今实验观测手段一科技发展水平 的制约。
• 由于有机碳的产生来源于燃烧、大气中气 一粒转化等复杂的过程, 其中很多过程目前 仍然不清楚, 只有在清楚、准确地了解了气 溶胶包括黑碳、有机碳、以及其他类型的 气溶胶的各种物理和化学性质、垂直分布 、时空变化等条件下, 对于气溶胶的辐射强 迫、区域气候、全球变暖等所作出的评价 才有可能是对实际大气客观的评价。
• 黑碳对光（包括紫外和可见光波段）有很 强的吸收能力（有机碳则比较适中）,因此 它在大气中的各种化学和光化学反应、非 均相反应以及气一粒转化过程中起着重要 作用。 • 黑碳气溶胶还是一种污染物, 它的存在将 严重恶化大气环境、危害人类健康, 如引 发呼吸系统哮喘以及心血管、癌症等疾病 的发生。 • 实际大气中气溶胶粒子包含黑碳粒子, 形 成的深灰色的气溶胶粒子可以吸收太阳能, 并且加热大气, 研究发现黑碳气溶胶的加 热效果有可能抵消掉硫酸盐气溶胶的冷却 效果。IPCC的报告中也指出了黑碳气溶胶 引起了正的辐射强迫
研究的重要性：
近年来研究表明, 黑碳气溶胶对于全 球变暖、区域气候变化有重要贡献, 黑碳气溶胶可能是影响全球变暖的 第二大重要因子, 其作用仅次于。因 此应控制黑碳的排放。考虑到黑碳 气溶胶在全球变暖、区域气候、环 境与健康等方面的作用, 研究和评价 黑碳气溶胶的作用已十分必要和迫 切。
◆全球平均来看, 黑碳在人为源排放气溶胶粒子 中的比例为1.1%~2.5%，在大气中总粒子的比例 为0.2%~1%。虽然它在气溶胶中所占的比例很小, 但是它的作用却不容忽略。因为它的质量衰减 系数比其他透明的气溶胶要高出2到3倍, 而且 它是气溶胶中吸收紫外、可见、近红外辐射的 主要成分, 不同地区气溶胶的光吸收系数可以 相差4个量级。光吸收物质可以使某些地区的能 见度降低一半左右, 城市阴霆大气中的棕色, 以及天空颜色的变色都与光吸收物质有关。
中国是目前黑碳排放量最大的国家。然而, 由于全球大部 分国家和地区目前都缺乏对黑碳长期、系统的观测和研究, 而且黑碳的排放也会随着月份和年份的不同而发生变化。 况且, 即使是同一国家, 其不同地区能源结构及其变化、能 源利用水平的差别也将造成黑碳排放量的显著差别。
面临的问题

由于黑碳气溶胶问题在各个方面的复杂性, 目前在该领域有 大量关键的问题尚需解决。 黑碳能加热大气, 但它有别于温室气体。 黑碳、有机碳等的特性比温室气体要复杂得多, 不仅 要了解其浓度, 而且要了解其各种参数（如单次反照率、折 射指数、黑碳与其他气溶胶的混合方式与混合状态等）及 其时空变化特征。 黑碳是一种类似石墨的颗粒物和光吸收有机物的混合 体, 现代的很多技术还很难将这两种成分完全彻底地区分开。 在黑碳测量方面也存在着很大的不确定性。其测量方法主 要有两种。（1）利用热方法确定有机碳和元素碳含量,2） 利用光学技术测量气溶胶的吸收系数, 它也经常用于估计黑 碳的质量吸收效率。
鉴于黑碳在上述各个方面的重要影响, 采取积极措 施, 研究我国城市与乡村黑碳气溶胶的特征和变化规律是 非常迫切和必要的。它将有助于我们解决上述中的关键问 题, 了解黑碳气溶胶的现状、基本特征以及变化规律, 为制 定政策以控制因黑碳气溶胶引起的全球变暖、区域气候、 环境污染等负面影响提供客观、科学的依据。特别是, 目 前在黑碳气溶胶研究中存在着相当大的不确定性, 更为关 键的是, 黑碳气溶胶的辐射特性与其来源、区域特点等密 切相关, 燃料结构燃煤、燃油、生物燃料等以及比例、燃 烧技术决定燃烧是否充分、高效等也将直接影响黑碳气溶 胶的排放量和理化特性, 因此, 准确了解我国黑碳气溶胶的 各种特性以及排放量, 对于科学、客观地了解和评价中国 区域黑碳气溶胶的辐射强迫效果、黑碳气溶胶在区域气候 以及全球变化中的作用,无疑将具有最直接的意义和研究 价值。
Hansen提出减缓全球变暖的策 略
同等重要地强调减 少非温室气体和黑 碳气溶胶的排放
Hansen 通过对 气候强 迫的分 析
未来的年应该集中 于减少非温室气体 和黑碳气溶胶的排 放 在技术上进行改进 以提高能源的利用 效率、发展新的非 化石能源以减少排 放等措施都是必需
Hansen等人的研究结果从另一个方 面说明了黑碳对于全球变暖所起的重 要作用。
化改变了亚洲夏季季风环流, 从而引起中国地区 降水形势的变化。
如果他们的解释是正确的, 减少人为黑碳气溶胶的排放, 则将有助于减轻我国南方洪水、北方干旱及沙尘暴的 强度。有观点认为, 近几十年来快速变暖的原因主要是 因为非温室气体如氟氯碳化合物、等的增长, 而不是因 为化石燃料燃烧的产物、气溶胶等的增长所致。
黑碳气溶胶特点：
• 黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分, 它在环境中无处不在, 如大气气溶胶、沉淀 物、土壤、煤烟、木炭中。 • 黑碳气溶胶颗粒的粒径一般比较小,约在（ 0.01—1）µμｍ, • 黑碳粒子在大气物理、大气化学、大气光 学过程中都具有重要的作用, 例如它对地球 的辐射平衡、气候、云的形成、降水、云 量等有明显影响。 • 黑碳粒子的变化将改变大气浑浊度和能见 度、改变云和地表的反照率。
三种观点
1 Menon
2
Hansen
3
Ackerman
Menon等利用全球气候模式(GISS)模拟中国和 印度地区气溶胶的直接辐射强迫效果, 认为吸收 性气溶胶可以影响区域性气候。研究表明中国 过去几十年的降水趋势南方降雨和洪水的增加 以及北方的干旱可能与黑碳气溶胶的增加有关 。
由于吸收性黑碳气溶胶吸收太阳辐射后加热大气, 因 而改变了大气稳定度和垂直运动, 进而影响了大尺度环 流和水循环,所以黑碳气溶胶具有重要的区域气候效果 。 他们的研究还表明, 黑碳引起大气加热的空间变
测量和模式研究表明，气溶胶浓度的增加, 可以导致雨滴截面积的增加和降水的减少, 因 此增加了云水含量和云量, 进而增加云的反照 率。根据通常认为的机制, 气溶胶污染对于全 球气候来说被认为是施加了一个净冷却影响 。
Ackerman等的研究结果论证了一个 相反的机制
气溶胶可以减小云量, 因而明显地补偿了区 域尺度气溶胶引起的大气层顶的辐射冷却 。
我国各地黑碳气溶胶的污染状况具有明显差别
研究新进展
温室气体如二氧化 碳、甲烷等通过吸收红 外辐射使地球变暖, 而 气溶胶粒子通过将可见 光和紫外辐射反射回太 空而使地球变冷。
根据全球热平衡的 传统观点
黑碳气溶胶对辐射的作用与其它类 型的气溶胶有不同之处,研究表明,来 源于化石燃料和生物燃烧产生的黑 碳会影响气溶胶的反射率, 加深气溶 胶的颜色, 从而吸收更多的太阳辐射, 这将减小气溶胶的冷却效果,黑碳气 溶胶的加热效果甚至可以抵消掉硫 酸盐气溶胶的冷却效果。黑碳的直 接辐射强迫为0.55W〃，位于的 0.47 W〃与的1.56 W〃之间。因此 有人认为黑碳的直接辐射强迫作用 超过了, 是影响全球变暖的仅次于之 后的第二个重要成分。
◆研究还表明, 对于某一时间段而言, 减少黑碳和 有机碳的排放比减少和的排放更能减慢全球变暖。 以前所讲的净全球变暖应主要归于温室气体和黑 碳、有机碳等共同的加热减去人为气溶胶冷却的 综合作用。如果除去黑碳、有机碳等的加热, 则 可以使这种净加热(在3~5年内)减少20%~45%。 因此, 我们对于黑碳和有机碳在全球变暖中的作 用应该重新认识, 并且在考虑黑碳的同时不要忽 略有机碳的存在和作用。
黑碳气溶胶的排放与全球变暖之间的关系, 黑 碳气溶胶的气候效果等尚需进一步的实验和理 论验证, 但鉴于黑碳气溶胶在大气环境、人类健 康等方面的“ 不良”影响, 采取紧急措施, 减少 并控制其排放是毋庸质疑的。由于黑碳在大气 中的寿命远小于二氧化碳和甲烷, 因此, 假如我 们今天就停止它的排放,那么一、二周之后它将 会从大气中消失。从这一点来讲, 控制黑碳比控 制二氧化碳和甲烷, 见效要快得多。
光学性质
• 黑碳对太阳辐射有比较强烈的吸收 • 有机碳对太阳辐射的影响主要是散射作用。
来源
• 有机碳的产生与燃烧过程、大气中碳氢化合物的 气一粒转换等有关。 • 黑碳一般是碳质燃料包括化石燃料、生物燃料等 不完全燃烧过程中产生的，主要包括烧焦、木炭、 煤烟等, 也可能包含一些难熔的光吸收有机物。它 与工业污染、交通、森林大火、燃煤、农业废弃 物的燃烧等相关。
黑碳气溶胶研究新进展
目
01
录
黑碳气溶胶概念
02 03
黑碳气溶胶特点及来源
研究重要性及新进展
燃烧过程产生了各种各样的气体和粒子成分, 这些含有碳的粒子颗粒物被称之为碳质气溶 胶。
碳质气溶胶又可以大致分为两类：
（1）元素碳, 有时也被称为黑碳、 石墨碳、煤烟等； （2）有机碳。
二者比较
光化学性质
来源