DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-1699-2026
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Ningning Sun وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في النيتروجين العضوي (ON) في النيتروجين الكلي في الهباء الجوي (TN) عبر طبقة الحدود الجوية البحرية (MABL) خلال البعثات من 2019 إلى 2024. باستخدام طريقة تحليلية جديدة، قامت الدراسة بتقدير ON في 92 عينة من الجسيمات المعلقة الكلية التي تم جمعها على مدى نطاق عرض جغرافي يبلغ 160 درجة. تكشف النتائج عن تدرج عرضي كبير، حيث كانت تركيزات ON أعلى بشكل ملحوظ في نصف الكرة الشمالي (83.3 ± 141.4 نانوغرام م$^{-3}$) مقارنة بنصف الكرة الجنوبي (15.4 ± 12.4 نانوغرام م$^{-3}$). إقليمياً، أظهرت شرق آسيا الساحلية أعلى مستويات ON (164.6 ± 179.1 نانوغرام م$^{-3}$) ولكن نسبة ON/TN كانت أقل (21.1 ± 7.9 %)، مما يشير إلى تأثيرات برية وإنسانية كبيرة. على العكس، كان لدى المحيط القطبي تركيزات ON أقل (19.1 ± 19.0 نانوغرام م$^{-3}$) ولكن أعلى نسبة ON/TN (38.6 ± 12.4 %)، مما يشير إلى هيمنة المصادر البحرية البيوجينية.
تسلط الدراسة الضوء على دور ديناميات الجليد البحري في التأثير على مستويات ON بالقرب من القارة القطبية الجنوبية، حيث أظهرت العينات المتأثرة بكتل الهواء الجليدي مستويات مرتفعة من ON ونسب ON/TN، مرتبطة بشكل قوي بتركيز الجليد البحري والتعرض للكلوروفيل أ. توفر هذه الدراسة أول قياسات مباشرة لـ ON على طول مقطع بحري عالمي، مما يبرز أهمية أخذ كل من النيتروجين القابل للذوبان في الماء وغير القابل للذوبان في الماء في نماذج الغلاف الجوي. تشير النتائج إلى أن التقديرات السابقة لـ ON في المحيط الجنوبي قد تكون قد تم التقليل منها بحوالي 40% بسبب إغفال النيتروجين العضوي غير القابل للذوبان في الماء (WION). تدعو الدراسة إلى إجراء أبحاث مستقبلية لتضمين مصادر ON، وخاصة من العمليات البيوجينية المرتبطة بالجليد البحري، وتعزيز استراتيجيات القياس لتحسين توزيع مصادر النيتروجين وتحسين دقة نماذج المناخ.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الوجود الكبير للنيتروجين العضوي (ON) والنيتروجين غير العضوي (IN) في جزيئات الهباء الجوي في طبقة الحدود الجوية البحرية (MABL)، والتي تعد مكونات حيوية من المواد الجسيمية في الغلاف الجوي. يُقدّر أن ON يساهم بنسبة 20%-80% من إجمالي ترسيب النيتروجين التفاعلي إلى سطح المحيط، مما يشير إلى دوره الكبير ولكن غير المؤكد في دورة النيتروجين البحرية وديناميات المناخ. تبرز الورقة تأثير ON على المناخ والكيمياء الحيوية، بما في ذلك تأثيراته على نوى تكاثف السحب (CCN) وامتصاص الضوء من الهباء الجوي. على الرغم من أهميته، لا يزال ON غير موصوف بشكل جيد بسبب التحديات التحليلية، خاصة في التمييز بين النيتروجين العضوي القابل للذوبان في الماء (WSON) والنيتروجين العضوي غير القابل للذوبان في الماء (WION).
لمعالجة هذه التحديات، يشير المؤلفون إلى طريقة جديدة تم تطويرها بواسطة Yu et al. (2021) التي تسمح بالقياس المتزامن لـ IN و ON في الهباء الجوي، مما يتجنب التحيزات المرتبطة بالطرق التقليدية للاطرح. تؤكد الدراسة على المصادر المتنوعة لـ ON في الهباء الجوي، بما في ذلك الانبعاثات الأولية من رذاذ البحر والتكوين الثانوي من السوابق البحرية، بالإضافة إلى النقل القاري للانبعاثات العضوية. تهدف الأبحاث إلى سد الفجوات في فهم مصادر وديناميات ON في المناطق البحرية النائية، وخاصة حول القارة القطبية الجنوبية، حيث تعيق القياسات المباشرة المحدودة الرؤى حول موسمية ON وتفاعلاته مع كيمياء الغلاف الجوي في العروض العليا. ستعزز النتائج من هذه الدراسة، المستندة إلى عينات تم جمعها خلال أربع بعثات بحثية، من فهم دورة النيتروجين وتمثيلها في نماذج المناخ.
طرق
توضح قسم المنهجية النهج المنهجي المستخدم في البحث. يتناول التصميم التجريبي، بما في ذلك اختيار المشاركين، وتقنيات جمع البيانات، والأساليب التحليلية المستخدمة لتقييم النتائج. استخدمت الدراسة إطاراً كميًا، حيث تم استخدام أدوات إحصائية لتحليل البيانات التي تم جمعها من عينة السكان.
تم الحصول على النتائج الرئيسية من خلال اختبار صارم والتحقق من الفرضيات، مما يضمن موثوقية وصلاحية النتائج. كما تؤكد المنهجية على الاعتبارات الأخلاقية التي تم أخذها بعين الاعتبار خلال عملية البحث، بما في ذلك الموافقة المستنيرة وسرية معلومات المشاركين. بشكل عام، توفر الطرق المستخدمة أساسًا قويًا للاستنتاجات المستخلصة في الدراسة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن اختلافات هامة بين نصفي الكرة الأرضية في تركيزات النيتروجين العضوي (ON) في الغلاف الجوي، حيث أظهر نصف الكرة الشمالي (NH) قيمًا أعلى بحوالي خمس مرات من تلك الموجودة في نصف الكرة الجنوبي (SH) (NH: $83.3 \pm 141.4 \, \text{ng m}^{-3}$; SH: $15.4 \pm 12.4 \, \text{ng m}^{-3}$; $p < 0.001$). كانت نسب ON إلى النيتروجين الكلي (TN) متشابهة عبر نصفي الكرة الأرضية، مرتفعة قليلاً في NH (30.4 ± 13.6%) مقارنة بـ SH (27.9 ± 10.6%). أظهرت تحليل العينات من ثلاث رحلات قطبية جنوبية تباينًا ضئيلًا بين السنوات في تركيزات ON، حيث تراوحت المتوسطات بين 18.3 إلى 20.4 نانوغرام م⁻³. تمت ملاحظة تدرج عرضي مميز في تركيزات ON، حيث بلغ ذروته في منطقة 20-40° شمالًا وتناقص نحو المناطق القطبية. حددت الدراسة أربع مناطق متميزة بناءً على التوزيع المكاني: كانت منطقة القطب الشرقي الأوسط (CEA) لديها أعلى تركيزات ON (المتوسط = 164.6 نانوغرام م⁻³) ولكن أقل نسبة ON/TN (21.1 ± 7.9%)، بينما أظهرت المحيط الجنوبي (SO) أقل تركيزات ON (المتوسط = 12.0 نانوغرام م⁻³) ونسب ON/TN أعلى (27.8 ± 11.0%). من الجدير بالذكر أن منطقة المحيط القطبي الجنوبي (AO) كانت لديها أعلى نسب ON/TN (38.6 ± 12.4%) على الرغم من انخفاض تركيزات ON (المتوسط = 19.1 نانوغرام م⁻³). تشير النتائج إلى أن التقديرات السابقة لإجمالي ON في المحيط الجنوبي قد تكون قد تم التقليل منها بحوالي 40%، مما يبرز المساهمة المهملة للجزء العضوي غير القابل للذوبان في البيانات السابقة.
مناقشة
توضح قسم المناقشة في الورقة البحثية مصادر وخصائص النيتروجين العضوي (ON) في طبقة الحدود البحرية (MABL) عبر مناطق قطبية مختلفة. تحدد مسارين رئيسيين لـ ON: الانبعاثات البحرية، التي تشمل كل من ON الأولي من جزيئات رذاذ البحر وON الثانوي الناتج عن التفاعلات الجوية للمركبات العضوية المتطايرة البيوجينية البحرية (BVOCs)، والنقل القاري بعيد المدى، الذي يقدم انبعاثات عضوية من الاحتراق وحرق الكتلة الحيوية. من الجدير بالذكر أن منطقة القطب الشرقي الجنوبي (CEA) أظهرت أعلى تركيزات ON، مرتبطة بشكل كبير بالعناصر القشرية والمتتبعين الإنسانين، مما يشير إلى تأثير كبير من المصادر القارية. في المقابل، أظهرت منطقة المحيط الجنوبي (SO) أقل تركيزات ON، والتي تأتي أساسًا من العمليات البحرية، مع تأثير إنساني ضئيل.
يتم التأكيد على دور العمليات البيوجينية المرتبطة بالجليد البحري في تشكيل ON في الهباء الجوي، خاصة في القارة القطبية الجنوبية. أظهرت العينات المتأثرة بالجليد البحري تركيزات ON أعلى بشكل ملحوظ ونسب ON إلى النيتروجين الكلي (TN) مقارنة بتلك القادمة من مسارات المحيط المفتوح. يُعزى هذا التعزيز إلى إطلاق المواد العضوية من المجتمعات الميكروبية خلال ذوبان الجليد البحري، مما يغني الطبقة السطحية ويساهم في ON من خلال رذاذ البحر وعمليات التكوين الثانوي. تؤكد النتائج على أهمية دمج ديناميات الجليد البحري في نماذج كيمياء الغلاف الجوي القطبي والمناخ، حيث تعد هذه العمليات مهمة في تعديل كل من كمية ومصادر ON في الغلاف الجوي.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-26-1699-2026
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Ningning Sun et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This research investigates organic nitrogen (ON) in aerosol total nitrogen (TN) across the marine atmospheric boundary layer (MABL) during expeditions from 2019 to 2024. Utilizing a novel analytical method, the study quantified ON in 92 total suspended particulate samples collected over a 160° latitude range. The findings reveal a significant latitudinal gradient, with ON concentrations markedly higher in the Northern Hemisphere (83.3 ± 141.4 ng m$^{-3}$) compared to the Southern Hemisphere (15.4 ± 12.4 ng m$^{-3}$). Regionally, coastal East Asia exhibited the highest ON levels (164.6 ± 179.1 ng m$^{-3}$) but a lower ON/TN ratio (21.1 ± 7.9 %), indicating substantial terrestrial and anthropogenic influences. Conversely, the Arctic Ocean had lower ON concentrations (19.1 ± 19.0 ng m$^{-3}$) but the highest ON/TN ratio (38.6 ± 12.4 %), suggesting a predominance of marine biogenic sources.
The study highlights the role of sea-ice dynamics in influencing ON levels near Antarctica, with samples affected by sea-ice air masses showing elevated ON and ON/TN ratios, strongly correlated with sea-ice concentration and chlorophyll a exposure. This research provides the first direct measurements of ON along a global marine transect, emphasizing the importance of accounting for both water-soluble and water-insoluble nitrogen fractions in atmospheric models. The findings suggest that previous estimates of ON in the Southern Ocean may have been underestimated by approximately 40% due to the omission of water-insoluble organic nitrogen (WION). The study calls for future research to incorporate ON sources, particularly from sea-ice-associated biogenic processes, and to enhance measurement strategies to refine nitrogen source apportionment and improve climate model accuracy.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significant presence of organic nitrogen (ON) and inorganic nitrogen (IN) in marine atmospheric boundary layer (MABL) aerosol particles, which are crucial components of atmospheric particulate matter. ON is estimated to contribute 20%-80% of total reactive nitrogen deposition to the surface ocean, indicating its substantial yet uncertain role in marine nitrogen cycling and climate dynamics. The paper highlights the impact of ON on climate and biogeochemistry, including its effects on cloud condensation nuclei (CCN) and aerosol light absorption. Despite its importance, ON remains poorly characterized due to analytical challenges, particularly in distinguishing between water-soluble organic nitrogen (WSON) and water-insoluble organic nitrogen (WION).
To address these challenges, the authors reference a novel method developed by Yu et al. (2021) that allows for simultaneous measurement of aerosol IN and ON, thus avoiding biases associated with traditional subtraction methods. The study emphasizes the diverse sources of aerosol ON, including primary emissions from sea spray and secondary formation from marine precursors, as well as continental transport of organic emissions. The research aims to fill gaps in understanding the sources and dynamics of ON in remote oceanic regions, particularly around Antarctica, where limited direct measurements hinder insights into ON’s seasonality and its interactions with high-latitude atmospheric chemistry. The findings from this study, based on samples collected during four research expeditions, will enhance the understanding of nitrogen cycling and its representation in climate models.
Methods
The methodology section outlines the systematic approach employed in the research. It details the experimental design, including the selection of participants, data collection techniques, and analytical methods used to evaluate the results. The study utilized a quantitative framework, employing statistical tools to analyze the data gathered from the sample population.
Key findings were derived through rigorous testing and validation of hypotheses, ensuring the reliability and validity of the results. The methodology also emphasizes the ethical considerations taken into account during the research process, including informed consent and confidentiality of participant information. Overall, the methods employed provide a robust foundation for the conclusions drawn in the study.
Results
The results of the study reveal significant hemispheric differences in atmospheric organic nitrogen (ON) concentrations, with the Northern Hemisphere (NH) exhibiting values approximately five times higher than those in the Southern Hemisphere (SH) (NH: $83.3 \pm 141.4 \, \text{ng m}^{-3}$; SH: $15.4 \pm 12.4 \, \text{ng m}^{-3}$; $p < 0.001$). The ON to total nitrogen (TN) ratios were similar across hemispheres, slightly elevated in the NH (30.4 ± 13.6%) compared to the SH (27.9 ± 10.6%). Analysis of samples from three Antarctic cruises indicated minimal interannual variation in ON concentrations, with means ranging from 18.3 to 20.4 ng m⁻³. A distinct latitudinal gradient in ON concentrations was observed, peaking in the 20-40° N zone and declining towards polar regions. The study identified four distinct regions based on spatial distribution: the Central East Arctic (CEA) region had the highest ON concentrations (mean = 164.6 ng m⁻³) but the lowest ON/TN ratio (21.1 ± 7.9%), while the Southern Ocean (SO) exhibited the lowest ON concentrations (mean = 12.0 ng m⁻³) and higher ON/TN ratios (27.8 ± 11.0%). Notably, the Antarctic Ocean (AO) region had the highest ON/TN ratios (38.6 ± 12.4%) despite lower ON concentrations (mean = 19.1 ng m⁻³). The findings suggest that previous estimates of total ON in the Southern Ocean may have been underestimated by approximately 40%, emphasizing the overlooked contribution of the insoluble organic fraction in earlier datasets.
Discussion
The discussion section of the research paper elucidates the sources and characteristics of organic nitrogen (ON) in the marine boundary layer (MABL) across various polar regions. It identifies two primary pathways for ON: marine emissions, which include both primary ON from sea-spray particles and secondary ON formed through atmospheric reactions of marine biogenic volatile organic compounds (BVOCs), and long-distance continental transport, which introduces organic emissions from combustion and biomass burning. Notably, the Central East Antarctic (CEA) region exhibited the highest ON concentrations, correlating significantly with crustal elements and anthropogenic tracers, indicating substantial influence from continental sources. In contrast, the Southern Ocean (SO) region demonstrated the lowest ON concentrations, primarily sourced from marine processes, with minimal anthropogenic impact.
The role of sea-ice-associated biogenic processes in shaping aerosol ON is emphasized, particularly in the Antarctic. Samples influenced by sea ice showed significantly higher ON concentrations and ON-to-total nitrogen (TN) ratios compared to those from open ocean trajectories. This enhancement is attributed to the release of organic matter from microbial communities during sea-ice melt, which enriches the surface microlayer and contributes to ON through sea spray and secondary formation processes. The findings underscore the importance of incorporating sea-ice dynamics into models of polar atmospheric chemistry and climate, as these processes significantly modulate both the quantity and sources of ON in the atmosphere.