研究發現氨氣分子擴散存在同位素分餾效應

我國自2013年實施《大氣汙染防治行動計劃》以來，硫酸鹽氣溶膠大幅下降，但硝酸鹽卻居高不下，大氣富氨環境是主要原因。為進一步改善空氣質量，中國計劃實施氨減排。揭示大氣氨濃度變化及其來源，是制定減排策略的科學基礎，具有迫切的現實需求。

過去幾十年，基於擴散吸附原理的被動取樣器被廣泛用於大氣氨濃度測量。由於造價低廉、操作簡單等優點，被動取樣器已成為全球大氣氨觀測網路的標配。近年來，被動取樣器開始用於氨同位素溯源研究。然而，被動取樣器表徵大氣氨同位素的可靠性一直懸而未決。

中國科學院大氣物理研究所研究員潘月鵬與國內外科學家合作，對歐洲、美國和中國廣泛使用的被動取樣器（ALPHA、Analyst和Radiello，圖1）開展了適用性評估。結果顯示，這3種被動取樣器得到的氨同位素組成具有一致性，但它們都顯著低於擴散管主動取樣系統（DELTA，參比標準），且差異穩定在15。4±3。5‰（圖2）。這一差異雖然超出了預期，卻意外地刻畫了氨氣同位素分子擴散引起的氮同位素分餾效應。

進一步的理論計算發現，由於輕同位素（

14

NH

3

）和重同位素（

15

NH

3

）分子量不同，它們在空氣中不同的擴散速率造成了氨同位素的分餾，導致

15

NH

3

貧化了17。7‰，這與在北京實際大氣中觀測到的差異（15。4‰）非常接近。論文合作者Walters博士在測量美國羅得島和中國瀋陽交通源氨同位素時也發現了類似的分餾現象，佐證了北京外場觀測結果的普遍性和理論計算的自洽性，即15。4‰可以作為校正被動取樣氨同位素分餾效應的引數。

“由於氣體擴散均遵循菲克定律（Fick’s law），該引數也適用於NO

x

、HONO和HNO

3

等其它含氮氣體同位素資料的校正。”潘月鵬及合作者認為：“校正氣體分子擴散中的同位素分餾效應將大幅提升被動取樣測量資料的可靠性，促進被動取樣器在氣態汙染物同位素溯源研究領域中更廣泛的應用。”

該研究成果近期線上發表於大氣科學領域期刊

Atmospheric Research

。論文合作單位包括中科院瀋陽應用生態研究所、華東師範大學、美國布朗大學、南京資訊工程大學、中國農業大學和遼寧省穩定同位素技術重點實驗室。此項研究受到國家重點研發計劃（2017YFC0210100和2017YFC0212703）、大氣重汙染成因與治理攻關總理基金（DQGG0208）和國家自然科學基金（41405144和41775154）專案資助。

圖1：大氣氨被動取樣和主動取樣外場對比實驗（2018年8月北京）

圖2：被動取樣（左）和主動取樣（右）大氣氨同位素測量結果及差異形成的原因（同位素分子不同的流動性造成了氨在空氣中擴散過程的同位素分餾效應）