DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-023-00535-8
تاريخ النشر: 2024-01-02
المؤلف: Linghan Zeng وآخرون
الموضوع الرئيسي: كيمياء الغلاف الجوي والهباء الجوي
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث دور الهباء الجوي للكربون الأسود (BC)، الذي يتم إنتاجه من الاحتراق غير الكامل، في تسخين المناخ بسبب قدرته على امتصاص الإشعاع الشمسي. تبرز الدراسة التعقيدات المرتبطة بتقدير التأثيرات الإشعاعية لـ BC بدقة، والتي تتأثر بعوامل مختلفة بما في ذلك الانبعاثات، وحجم الجسيمات، والشكل، وحالة الخلط.
أجرى المؤلفون تقييمًا لحالة الخلط لـ BC في بيئات جوية مختلفة ووجدوا أن عدم التجانس في حالات الخلط هو أمر شائع. على وجه الخصوص، أظهرت جسيمات BC في الأجواء الخلفية أقل تجانسًا مقارنة بتلك الموجودة في البيئات الحضرية والضواحي، حيث ساهمت الانبعاثات الأولية في زيادة عدم التجانس. من المهم أن توفر النتائج أدلة رصدية مباشرة على أن هذا عدم التجانس في خلط الجسيمات يمكن أن يؤدي إلى تقليل تعزيز امتصاص الضوء لـ BC، مع انحرافات تصل إلى حوالي 24% في الظروف الخلفية.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الدور المهم لجسيمات الكربون الأسود (BC)، أو السخام، كعامل مناخي قصير الأمد، ناتج أساسًا عن الاحتراق غير الكامل للكتلة الحيوية، والوقود الأحفوري، والوقود الحيوي. في عام 2017، تم تقدير انبعاثات BC العالمية بـ 8.54 Tg. وقدرت الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) في تقرير التقييم السادس (AR6) أن القوة الإشعاعية الفعالة لـ BC تتراوح من -0.28 إلى 0.41 Wm\(^{-2}\)، مما يساهم في زيادة درجة الحرارة بمقدار 0.1 °C من 1750 إلى 2019. ومع ذلك، فإن نمذجة تأثيرات المناخ لـ BC مليئة بالشكوك، خاصة فيما يتعلق بعمليات الشيخوخة التي تغير خصائصه، مثل التكتل وتكثف الغاز.
تسلط الورقة الضوء على التباينات بين الدراسات المخبرية والميدانية فيما يتعلق بتعزيز امتصاص الضوء لـ BC، حيث أظهرت بعض القياسات الميدانية تعزيزات أقل مما تم التنبؤ به. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن عدم التجانس بين الجسيمات في البيئة المحيطة قد يفسر هذه الاختلافات. أظهرت دراسة أجراها زهاي وآخرون أن مدى تعزيز امتصاص الضوء مرتبط ارتباطًا وثيقًا بحالة الخلط وسمك الطلاء لجسيمات BC. على الرغم من هذه الرؤى، فإن تعقيد حالة خلط BC يشكل تحديات لتمثيل دقيق في نماذج المناخ العالمية. تهدف هذه الدراسة إلى قياس عدم تجانس حالة الخلط لـ BC في ظروف بيئية حقيقية، باستخدام جبل يولوونغ الثلجي في الصين كموقع خلفية تمثيلي، واستكشاف كيفية تأثير هذا عدم التجانس على الخصائص البصرية وامتصاص الضوء لـ BC.
الطرق
تحدد قسم الطرق تصميم التجربة والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا سلسلة من التجارب المضبوطة لاختبار فرضياتهم. شملت جمع البيانات بروتوكولات أخذ عينات وقياس منهجية لضمان الموثوقية والصلاحية. تم إجراء تحليلات إحصائية باستخدام أدوات البرمجيات لتقييم دلالة النتائج، مع اهتمام خاص بقيم p وفترات الثقة.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم النماذج الرياضية المطبقة لتفسير البيانات، بما في ذلك تحليلات الانحدار واختبارات إحصائية أخرى ذات صلة. تؤكد المنهجية على إمكانية التكرار، مع أوصاف واضحة للمواد والإجراءات المستخدمة، مما يسمح بإمكانية تكرار الدراسة من قبل باحثين آخرين. بشكل عام، توفر الطرق المستخدمة إطارًا قويًا لفهم الظواهر الأساسية التي تم التحقيق فيها في البحث.
النتائج
كشفت النتائج من الحملات الميدانية التي أجريت على مدار حوالي 10 أيام في ثلاثة مواقع—الخلفية (YL)، والضواحي (CP)، والحضرية (PKUERS)—عن اختلافات كبيرة في مستويات الملوثات الجوية، خاصة في المواد الجسيمية (PM)، وثاني أكسيد الكبريت (SO₂)، وأكاسيد النيتروجين (NOₓ). أظهرت YL أدنى تركيزات من PM₁، SO₂، وNOₓ، بينما كانت مستويات الأوزون (O₃) في PKUERS هي الأدنى، وذلك بسبب انخفاض الإشعاع الشمسي وتأثيرات المعايرة مع أكاسيد النيتروجين. تم تحليل حالة خلط جسيمات الكربون الأسود (BC)، مما كشف أن مؤشر حالة الخلط ($\chi$) اختلف بشكل كبير عبر المواقع، حيث أظهرت YL توزيعًا أوسع تأثرًا بمصادر متعددة، بينما أظهرت البيئات الحضرية والضواحي توزيعات أضيق تشير إلى حالات خلط أكثر تجانسًا بسبب عمليات الشيخوخة.
أثبتت الدراسة أيضًا أن حالة خلط BC ($\chi$) كانت مرتبطة بالجزء المغلف بشكل كثيف ($F_{thick}$) من جسيمات BC، خاصة في YL، حيث أظهرت $\chi$ و$F_{thick}$ ارتباطًا إيجابيًا قويًا. في المقابل، في CP، كان الارتباط ضعيفًا، مما يشير إلى أن حالة الخلط كانت أقل تأثرًا بالجزء المغلف بشكل كثيف في الظروف الضواحية. وُجد أن تعزيز امتصاص الضوء ($E_{abs}$) لـ BC تأثر بشكل كبير بحالة الخلط، مع ميل للتقدير المفرط عند عدم أخذ عدم التجانس في الاعتبار. تشير النتائج إلى أن النماذج التي تفترض تغليفًا موحدًا لجسيمات BC قد تؤدي إلى عدم دقة في تقدير تأثيراتها الإشعاعية، مما يبرز ضرورة أخذ عدم تجانس حالة الخلط في النماذج الجوية في الاعتبار.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء حملات ميدانية واسعة في ثلاثة مواقع لمراقبة الغلاف الجوي في بكين، تمثل البيئات الخلفية والضواحية والحضرية. كان الموقع الضاحوي (CP) يقع في حرم تشانغبينغ، جامعة بكين، وسجل متوسط درجة حرارة 21.8 °C ورطوبة نسبية 38.8% خلال الحملة من 16 إلى 25 مايو 2016. تأثر هذا الموقع بمصادر طبيعية وحضرية، دون انبعاثات صناعية كبيرة قريبة. على النقيض من ذلك، شهد الموقع الحضري (PKUERS) في جامعة بكين متوسط درجة حرارة أبرد قدرها 0.8 °C ورطوبة أقل (27.6%) من 21 يناير إلى 3 فبراير 2015. وقد قامت PKUERS بمراقبة جودة الهواء لأكثر من عقد، مما يوفر بيانات حيوية عن تلوث الهواء الحضري.
شملت الأدوات المستخدمة لقياس الكربون الأسود (BC) محلل الحركة التفاضلية (DMA) المرتبط بمقياس ضوء الجسيمات الفردية (SP2)، مما سمح بتحليل مفصل للجسيمات المحتوية على BC. قامت الدراسة بتصنيف جسيمات BC بناءً على سمك الطلاء، مميزة بين BC المغلف بشكل كثيف وBC المغلف بشكل رقيق، وحساب نسبة الكتلة للمكونات غير BC بالنسبة لـ BC. تم استخدام مؤشر حالة خلط BC ($\chi$) لقياس عدم تجانس حالات خلط BC، مع قيم تتراوح من 0 (خلط خارجي) إلى 1 (خلط متجانس). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم تعزيز امتصاص الضوء لـ BC باستخدام نظرية ميا، مما يوفر رؤى حول الخصائص البصرية للجسيمات المحتوية على BC وتأثيراتها البيئية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41612-023-00535-8
Publication Date: 2024-01-02
Author(s): Linghan Zeng et al.
Primary Topic: Atmospheric chemistry and aerosols
Overview
This section of the research paper discusses the role of black carbon (BC) aerosols, which are produced from incomplete combustion, in climate warming due to their ability to absorb solar radiation. The study highlights the complexities involved in accurately estimating the radiative effects of BC, which are influenced by various factors including emissions, particle size, morphology, and mixing state.
The authors conducted an assessment of the mixing state of BC in different atmospheric environments and found that heterogeneity in mixing states is a common occurrence. Specifically, BC particles in background atmospheres displayed less homogeneity compared to those in urban and suburban settings, where primary emissions contributed to increased heterogeneity. Importantly, the findings provide direct observational evidence that this particle-particle mixing heterogeneity can lead to a reduction in the light absorption enhancement of BC, with deviations reaching approximately 24% in background conditions.
Introduction
The introduction of the paper discusses the significant role of black carbon (BC) particles, or soot, as a short-lived climate forcer, primarily resulting from the incomplete combustion of biomass, fossil fuels, and biofuels. In 2017, global BC emissions were estimated at 8.54 Tg. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Sixth Assessment Report (AR6) estimated the effective radiative forcing of BC to range from -0.28 to 0.41 Wm\(^{-2}\), contributing to a temperature increase of 0.1 °C from 1750 to 2019. However, the modeling of BC’s climate effects is fraught with uncertainties, particularly regarding the aging processes that alter its properties, such as coagulation and gas-phase condensation.
The paper highlights the discrepancies between laboratory and field studies regarding the enhancement of BC’s light absorption, with some field measurements showing lower enhancements than predicted. Recent research suggests that the particle-to-particle heterogeneity in the ambient environment may account for these differences. A study by Zhai et al. indicated that the extent of light absorption enhancement is closely linked to the mixing state and coating thickness of BC particles. Despite these insights, the complexity of BC’s mixing state poses challenges for accurate representation in global climate models. This study aims to quantify the mixing state heterogeneity of BC in real ambient conditions, using the Yulong Snow Mountain in China as a representative background site, and to explore how this heterogeneity impacts the optical properties and light absorption of BC.
Methods
The Methods section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing a series of controlled experiments to test their hypotheses. Data collection involved systematic sampling and measurement protocols to ensure reliability and validity. Statistical analyses were conducted using software tools to evaluate the significance of the results, with specific attention to p-values and confidence intervals.
Additionally, the section details the mathematical models applied to interpret the data, including regression analyses and other relevant statistical tests. The methodology emphasizes reproducibility, with clear descriptions of the materials and procedures used, allowing for potential replication of the study by other researchers. Overall, the methods employed provide a robust framework for understanding the underlying phenomena investigated in the research.
Results
The results from the field campaigns conducted over approximately 10 days at three sites—background (YL), suburban (CP), and urban (PKUERS)—revealed significant differences in air pollutant levels, particularly in particulate matter (PM), sulfur dioxide (SO₂), and nitrogen oxides (NOₓ). YL exhibited the lowest concentrations of PM₁, SO₂, and NOₓ, while PKUERS had the lowest ozone (O₃) levels, attributed to low solar radiation and titration effects with nitrogen oxides. The mixing state of black carbon (BC) particles was analyzed, revealing that the mixing state index ($\chi$) varied significantly across sites, with YL showing a broader distribution influenced by multiple sources, while urban and suburban environments exhibited narrower distributions indicative of more homogeneous mixing states due to aging processes.
The study further established that the mixing state of BC ($\chi$) was correlated with the thickly coated fraction ($F_{thick}$) of BC particles, particularly at YL, where $\chi$ and $F_{thick}$ showed a strong positive correlation. In contrast, at CP, the correlation was weak, suggesting that the mixing state was less influenced by the thickly coated fraction in suburban conditions. The light absorption enhancement ($E_{abs}$) of BC was found to be significantly affected by the mixing state, with a tendency for overestimation when not accounting for heterogeneity. The findings indicate that models assuming uniform coating of BC particles may lead to inaccuracies in estimating their radiative effects, emphasizing the necessity of considering mixing state heterogeneity in atmospheric models.
Discussion
In this study, extensive field campaigns were conducted at three atmospheric monitoring sites in Beijing, representing background, suburban, and urban environments. The suburban site (CP) was located at Changping Campus, Peking University, and recorded an average temperature of 21.8 °C and relative humidity of 38.8% during the campaign from May 16 to 25, 2016. This site was influenced by both natural and urban sources, with no significant industrial emissions nearby. Conversely, the urban site (PKUERS) at Peking University experienced a colder average temperature of 0.8 °C and lower humidity (27.6%) from January 21 to February 3, 2015. The PKUERS site has been monitoring air quality for over a decade, providing critical data on urban air pollution.
Instrumentation for measuring black carbon (BC) included a Differential Mobility Analyzer (DMA) coupled with a Single Particle Soot Photometer (SP2), which allowed for detailed analysis of BC-containing particles. The study classified BC particles based on their coating thickness, distinguishing between thickly and thinly coated BC, and calculated the mass ratio of non-BC components relative to BC. The BC mixing state index ($\chi$) was employed to quantify the heterogeneity of BC mixing states, with values ranging from 0 (external mixing) to 1 (homogeneous mixing). Additionally, light absorption enhancement of BC was assessed using Mie theory, providing insights into the optical properties of BC-containing particles and their environmental implications.