地球科学进展

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (12): 1203 -1212. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.080

综述与评述 上一篇    下一篇

表面活性物质对海洋飞沫气溶胶的产生和理化性质的影响
徐名兰 1( ), 杜林 1( ), 葛茂发 2   
  1. 1.山东大学 环境研究院，山东 青岛 266237
    2.中国科学院化学研究所，分子动态与稳态结构国家重点实验室，北京 100190
  • 收稿日期:2023-08-10 修回日期:2023-11-07 出版日期:2023-12-10
  • 通讯作者: 杜林 E-mail:xuminglan@mail.sdu.edu.cn;lindu@sdu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目(22076099)

Effect of Surface-Active Substances on the Generation and Physicochemical Properties of Sea Spray Aerosol

Minglan XU 1( ), Lin DU 1( ), Maofa GE 2   

  1. 1.Environment Research Institute, Shandong University, Qingdao 266237, China
    2.State Key Laboratory for Structural Chemistry of Unstable and Stable Species, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
  • Received:2023-08-10 Revised:2023-11-07 Online:2023-12-10 Published:2023-12-26
  • Contact: Lin DU E-mail:xuminglan@mail.sdu.edu.cn;lindu@sdu.edu.cn
  • About author:XU Minglan, Ph.D student, research area includes interfacial reaction of marine aerosols. E-mail: xuminglan@mail.sdu.edu.cn
  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(22076099)
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由于气候和环境效应的影响，海洋上空气溶胶受到研究者的关注。海水中气泡上升至海面破裂时，会把海洋微表层的表面活性物质富集到海洋飞沫气溶胶中，从而影响其物理和化学性质。总结了海洋表面活性物质的来源及其表征量化方法，阐述了表面活性物质对海洋飞沫气溶胶数浓度及粒径分布的影响，进而归纳了对吸湿性、云凝结核活性和冰核活性的影响机制。由于来源、类型、结构及其他环境条件的不同，表面活性物质对海洋飞沫气溶胶的产生及理化性质的影响具有显著差异，给研究海洋飞沫气溶胶的环境和气候效应造成困难，需要进一步开展表面活性物质的观测和模拟研究，为改进海洋飞沫气溶胶区域和全球建模提供科学支撑。

关键词: 海洋飞沫气溶胶, 表面活性物质, 表面张力, 气溶胶产生, 理化性质

Ocean aerosols are of important because of their climatic and environmental effects. When bubbles in seawater rise to the surface and burst, they enrich the surface-active substances present in the sea-surface microlayer into Sea Spray Aerosol (SSA), thus affecting their physical and chemical properties. In this study, the sources and quantitative characterization methods for marine surface-active substances are reviewed. The effects of surface-active substances on the concentration and particle size distribution of SSA are addressed, and the influencing mechanisms of hygroscopicity, cloud condensation nucleation activity, and ice nucleation activity are summarized. Owing to different sources, types, and other environmental conditions; the effects of surface-active substances on SSA generation and physicochemical properties vary significantly, making it difficult to study the environmental and climatic effects of SSA. In the future, further observational and modeling research on surface-active substances is required to provide scientific support for improved regional and global modeling of SSA.

Key words: Sea Spray Aerosol (SSA), Surface-active substances, Surface tension, Aerosol generation, Physicochemical property

中图分类号: 

表1 海洋环境中表面活性物质的表征和量化方法
Table 1 Methods for characterization and quantification of surfactant in the marine environment
方法 原理 特点 参考文献
表面张力计 一般使用铂金环或铂金板来探测气液界面并测量脱离界面所需的回缩力，用于量化表面张力 传统的宏观方法，但探测深度过大（1~10 mm） ［ 25 ］
原子力显微镜 测量探针远离液体界面时的最大保持力记为液体的表面张力 探测深度精确到数百纳米 ［ 25 ］
悬滴张力法 通过将Young-Laplace方程与悬挂在注射器上的溶液液滴的形状进行拟合而得到溶液的表面张力 实时监测液滴的体积，确保在测量过程中不会大量蒸发，且通用性广、可靠性高、操作简便 ［ 26 ］
伏安法 测量汞电极表面的电极双层容量电流的变化 简单灵敏，无需样品浓缩即可直接分析海水、雨水和云水中的表面活性物质浓度，但无法具体识别表面活性物质的类别 ［ 27 - 28 ］
紫外—可见吸收光谱法 基于不同表面活性物质类别与特有的离子染料反应形成有色配合物并萃取到有机溶剂中，使用分光光度法测定吸光度进而计算得到表面活性物质浓度 通过离子状态表征表面活性物质并测量每种表面活性物质的浓度，包括阴离子、阳离子和非离子型表面活性物质 ［ 29 - 30 ］
高分辨率质谱技术 根据公式计算氢碳比（H/C）和氧碳比（O/C），将有机化合物大致分类 能够表征表面活性物质的分子组成 ［ 31 - 32 ］
图1 气溶胶颗粒（a）和河口水体（b）表面活性剂类有机物的Van Krevelen图［ 32 ］
Fig. 1 Van Krevelen diagrams of surfactant organics in aerosol particle （a） and estuarine water （b）［ 32 ］
图2 实验室模拟海洋飞沫气溶胶（SSA）的产生装置图
Fig. 2 Diagram of the Sea Spray Aerosol （SSA） generation device for laboratory simulation
图3 油酸对人工海水产生的海洋飞沫气溶胶（SSA）粒径分布的影响（据参考文献［ 39 ］修改）
Fig. 3 Effect of oleic acid on the particle size distribution of Sea Spray Aerosol （SSA） produced from artificial seawater （modified after reference ［ 39 ］）
图4 单一组分或混合组分气溶胶的吸湿性生长因子
Fig. 4 Hygroscopic growth factors for single or mixed component aerosols
表2 表面活性物质对云凝结核（ CCN）活性的影响
Table 2 Effect of surfactants on the activity of Cloud Condensation Nuclei （ CCN）
研究对象 主要结论 参考文献
α-蒎烯臭氧化产物 大气颗粒主要由表面活性物质组成时（约80%）会增加CCN活性 ［ 63 ］
十二烷基硫酸钠、油酸 十二烷基硫酸钠和油酸通过降低溶液表面张力，有助于增强产生的NaCl颗粒的CCN活性 ［ 64 ］
高分子量类腐殖质物质 表面活性的类腐殖质物质可以到达液滴表面，降低气溶胶形成云滴的表面张力 ［ 65 ］
戊二酸、丙二酸、琥珀酸 低分子量二羧酸是水溶性表面活性分子，也可以导致表面张力下降并影响CCN活性 ［ 66 ］
辛酸钠、癸酸钠、十二酸钠、十二烷基硫酸钠 如果仅考虑表面张力降低，而忽略表面活性物质的表面分配，则会大大低估实验的临界过饱和度 ［ 67 ］
丙二酸、壬二酸、己酸、顺式蒎烯酸、油酸、硬脂酸 无机—有机混合颗粒的CCN活性与溶解度相关，硬脂酸形成厚的有机涂层阻碍了水蒸气的扩散，能够完全抑制硫酸铵的吸湿能力 ［ 68 ］
十二烷基苯磺酸钠 十二烷基苯磺酸钠可以通过降低所产生颗粒的吸湿性，产生更小的颗粒以及减少产生的颗粒总数量的方式导致CCN总数减少63%~75% ［ 69 ］
油酸、棕榈酸、肉豆蔻酸 除了在有机质量比例过大时（>0.9），有机质量对无机盐颗粒CCN活性的影响可以忽略不计 ［ 57 ］
棕榈酸、硬脂酸、棕榈油酸、油酸 不饱和脂肪酸涂层对海盐颗粒的CCN活性几乎没有影响，可能与不饱和脂肪酸形成的涂层不完整，以及双键的存在导致涂层压缩程度较低有关，从而导致通过液态不饱和脂肪酸涂层的扩散比通过相应的固体饱和脂肪酸涂层的扩散更快 ［ 15 ］
油酸、油酸钠 包裹1层油酸钠或油酸涂层的颗粒表现出与纯钠盐颗粒相似的CCN活性，而当有机浓度增加10倍时也仅会略微抑制CCN活性 ［ 70 ］
硅藻培养物 由人工海水、含硅藻培养物的人工海水及北大西洋和北冰洋收集的真实样品生成的SSA颗粒具有相似的CCN活性，说明SSA中生物源有机组分的内部混合对北极混合相云的云滴活化过程没有实质性影响 ［ 71 ］
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