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黑碳
黑碳

黑碳又称为烟炱和煤烟,是含碳物质(主要是石油、煤、木炭、树木、柴草、塑料垃圾、动物粪便等)不完全燃烧和氧化形成的产物。在扫描电镜下观察,黑碳呈现出亚微米级的颗粒物聚合体(团状或者链状)。

黑碳 - 简介

黑碳是由富含碳物质不完全燃烧后的产物,是大气气溶胶的重要组成部分,代表了一个从部分焦化物质到石墨和煤烟颗粒的连续统一体,在生物、地球化学和环境过程中具有重要意义。黑碳是土壤中高度稳定的有机碳,对土壤碳库形成具有重要贡献。黑碳的分解主要是光化学分解和微生物降解。

黑碳在全球碳循环中占有重要的位置。每年燃烧可产生50~270 Tg黑碳,其中约 10%来源于化石燃料燃烧。细小的黑碳在大气中被搬运到远离燃烧地的土壤或海洋中沉积下来,在沉积物有机碳中占有很大的比例。从地质历史时期看,它对于大气圈中CO2、O2的含量演化有重要影响。

黑碳 - 类型

黑碳的3种主要类型包括焦化植物残体、木炭到烟炱,以及石墨态黑碳。它们的理化性质变化很大,焦化植物残体和木炭主要在低温下形成;烟炱是高温气态物质浓缩形成;而石墨态黑碳可能是岩石形成的。

黑碳 - 黑碳气溶胶

黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,主要是由富含碳的物质不完全燃烧产生的,比如化石原料和生物质原料燃烧等。黑碳气溶胶具有较为特殊的物理化学性质。黑碳气溶胶具有多孔性,粒径约在0. 01~1 μm。在化学成分上非常接近于石墨,在温度高于400 ℃时才可以发生氧化。黑碳气溶胶对可见光和部分红外光谱有很强的吸收能力,它在大气中的各种化学和光化学反应、非均相反应以及气粒转化过程中起着重要作用。

影响

尽管黑碳气溶胶在大气气溶胶成分中所占比例较小,一般占百分之几到百分之十几, 在大气中浓度一般也较低。但它对环境的影响却不容忽视,具体表现在两个方面:

一是对大气环境的影响:由于黑碳气溶胶在从可见光到红外的波长范围内对太阳辐射都有强烈的吸收效应, 所以对区域和全球气候有着重要的影响。2000年的IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change,联合国政府间气候变化专门委员会)报告指出,黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫,从而极大地减弱气溶胶对地球的冷却效果。部分学者的研究表明,减少黑碳和有机碳的排放比减少二氧化碳和甲烷的排放更能减慢全球变暖。

二是对人体健康的影响:由于黑碳气溶胶具有吸附性,黑碳气溶胶的表面能够吸附其它污染物(如多环芳烃类、重金属等),可以通过呼吸作用,夹带所吸附的有毒物质进入人体,从而引起呼吸系统哮喘以及心血管病、癌症等疾病的发生,危害人类健康。此外,大量的黑碳气溶胶可明显地降低大气能见度;沉降附着在建筑物表面会破坏建筑物外观;沉降到植物叶面会阻滞植物呼吸和光合作用从而降低农作物产量等。

黑碳 - 沉降到冰雪表面

黑碳如果沉降到冰雪表面,可降低表面反照率,从而对冰雪消融有正反馈作用。从黑碳的影响角度,北极海冰和高亚洲冰川的国际主要关注的热点区域。

对北极海冰的影响

有人认为北极大气中和沉降下来的黑碳加速了海冰的消融。实际根据观测数据,北极大气中的黑碳浓度自1989年处于下降态势(据加拿大环境部);而2005年后雪冰中的黑碳浓度与20世纪80年代相比也没有明显变化。因此,没有证据表明黑碳加速了北极海冰的消融。

对高亚洲冰川的影响

高亚洲冰川海拔大多在3000米以上、对流层中部或者上部,高于边界层;而且周边直接人类活动少,空气清洁;大气黑碳的区域增温效应大多在3000米以下,因此不太考虑大气黑碳的区域增温对高亚洲冰川的影响,只考虑沉降冰川表面的黑碳的效应。现有研究显示,高亚洲冰川黑碳浓度与全球其他高山和北极地区相当,比平原地区低一个数量级,当前浓度水平的黑碳对冰川表面辐射能量平衡的影响可能在5%以内。 喜马拉雅山冰川的状况格外引人瞩目,自20世纪50年代以来的退缩被认为与温室气体和南亚棕色云中的黑碳的共同增温作用有关。在喜马拉雅山钻取的多支冰芯记录的黑碳显示,喜马拉雅山中段冰川黑碳记录过去40年间没有明显趋势,而东段增长趋势明显。根据研究,黑碳对珠穆朗玛峰北坡东绒布冰川辐射平衡的影响不到2%。另外,卫星数据显示,喜马拉雅山中段冰川的上部自2000年以来有变暗(反照率降低)现象,意味着消融加速;很少量的观测显示,似乎黑碳在春季消融季节对这一现象贡献显著。

黑碳 - 控制途径

由于民用燃煤是我国黑碳最主要的排放源,因此减少黑碳首先应当控制民用燃煤的排放。在国家自然科学基金重大项目的资助下,中国科学院广州地球化学研究所傅家谟院士领导的项目组针对我国黑碳源排放清单中最重要、最复杂的民用煤燃烧部分,通过系统实测一系列燃煤黑碳排放因子,初步估算出了黑碳排放总量;研究结果指出,在黑碳排放因子的各种影响因素中,煤的种类的影响最为显著,燃烧形式其次,炉灶类型的影响相对最小;民用燃煤若能严格控制中等变质程度烟煤的使用、减少使用块煤燃烧、大力推广和普及蜂窝煤的使用,可以极大减少黑碳的排放量。根据初步估算,禁止将中等变质的烟煤用作为民用燃煤可使黑碳排放量减少60%以上,如果进一步禁止使用块煤而普及使用蜂窝煤则可使黑碳排放量减少95%以上。

黑碳 - 相关研究

2013年1月,美国一个联合研究团队认为,黑碳或烟灰对气候变暖具有较强的影响,其致暖效应大约是头号温室气体二氧化碳的三分之二,跃居甲烷之前,超出先前估计的两倍。 同时,报告指出,黑碳是导致北半球中高纬度地区如美国北部、加拿大、欧洲北部和亚洲北部迅速升温的一个重要原因,它的影响还可延伸至更远的南方,包括亚洲季风导致降雨模式的变化。这表明,抑制黑碳排放有望显著减少区域气候变化,同时也有益人体健康。

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