高湿条件下二氧化氮驱动的颗粒硝酸盐和硫酸盐多相生成增强

为何潮湿的空气仍可能肮脏

许多人认为潮湿多雾的天气有助于净化空气，将污染物从天空中洗净。但在中国南部，情况常常相反：当温暖潮湿的海洋空气遇到较冷的陆地空气并滞留时，即使传统的大气清洁机制较弱，也会形成浓厚的霾。该研究揭示了原因，说明一种常见的交通污染物——二氧化氮——在高湿条件下如何悄然加速有害细颗粒的快速生成。

沿海城市上空的粘滞空气

研究者把注意力集中在厦门——中国南部的一个沿海城市——在2024年早春的两周期间。每到这一季节，温暖潮湿的海洋空气经常与较凉、较干的大陆空气相遇并停滞，形成准驻留的锋面。在这些高湿事件期间，空气变得滞留，风速下降，一层浅浅的空气覆盖在城市上空。来自楼顶监测站的观测显示，细颗粒物（PM2.5）浓度上升，能见度下降，湿度升高时常伴随雾的出现。在这些有雾的时段，颗粒的化学组成呈现出两个明显阶段：先以硝酸盐为主，然后硫酸盐急剧增加。

隐蔽化学的两个阶段

在这些事件的早期、非常潮湿的时段，颗粒物富集硝酸盐，尽管通常依赖阳光的化学反应微弱且臭氧浓度低。研究团队发现，最佳的解释是来自交通等源的二氧化氮被直接吸收进潮湿的颗粒表面和地面上的薄水膜。在这些浓缩的液滴中，二氧化氮的反应速度比在普通水中要快得多，生成硝酸盐以及另一种能重新逸出到空气中的活性氮形态。二氧化氮、气溶胶水分、颗粒表面积与不断上升的硝酸盐之间的密切关联表明，这些表面过程在夜间主导了硝酸盐的生成。

当雾将氮转变为硫颗粒时

随着湿度进一步上升并形成雾，化学过程出现转变。由二氧化硫形成的硫酸盐开始迅速增长，甚至可能超过硝酸盐。在这里，二氧化氮再次发挥中心作用，但方式不同。在雾滴和大液滴内部，二氧化氮及其反应产物通过一系列水相反应氧化溶解的硫。一个关键的中间体——一种与亚硝酸之间维持平衡的活性氮物种——在较大、酸度较低的液滴中比在微小、酸性更强的颗粒中停留时间更长。更长的停留时间使其能够多次攻击溶解的硫，从而在浓雾和霾条件下驱动快速的硫酸盐生成。

为无形过程量化

为了检验这些想法，作者构建了一个详细的计算“箱式模型”，将气相化学、水相反应以及空气与颗粒之间的交换结合起来。当他们允许二氧化氮被湿颗粒和雾滴吸收时，模型能较好地再现观测到的硝酸盐和硫酸盐上升。在潮湿事件中，直接吸收的二氧化氮占几乎一半的硝酸盐生成量，而基于氮的氧化物（包括二氧化氮及其水相产物）产生了近三分之二的硫酸盐。在夜间，二氧化氮途径远远超过了涉及另一种夜间氧化剂—五氧化二氮的更熟知路径。模型还显示，雾滴因其更大的尺寸和较高的pH值，特别有利于驱动将氮–硫化学转化为硫酸盐的反应。

这对更清洁空气的意义

研究得出结论：二氧化氮远不只是交通污染的警示气体——在非常潮湿、滞留的条件下，它成为细颗粒生成的强大驱动因子。通过加速气态氮和硫向硝酸盐与硫酸盐颗粒的转化，这些隐蔽的水相反应有助于解释为什么中国的颗粒物浓度下降速度没有与氮和硫气体排放的减少同步。研究结果表明，在沿海和潮湿地区进行有效的烟雾控制时，不仅要考虑二氧化氮的排放量，还要考虑大气进入这些粘滞、多雾状态的频率，因为这些状态会将其变成微观的化学工厂。

引用: Lin, Z., Ji, X., Xu, L. et al. Enhanced NO₂-driven multiphase formation of particulate nitrate and sulfate under high-humidity conditions. npj Clim Atmos Sci 9, 76 (2026). https://doi.org/10.1038/s41612-026-01352-5

关键词: 空气污染, 二氧化氮, 细颗粒物, 高湿度, 雾化学