研究發現氨氣分子擴散存在同位素分餾效應

2020-12-06 騰訊網

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。為進一步改善空氣品質，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採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，被動採樣器已成為全球大氣氨觀測網絡的標配。近年來，被動採樣器開始用於氨同位素溯源研究。然而，被動採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採樣器（ALPHA、Analyst和Radiello，圖1）開展了適用性評估。結果顯示，這3種被動採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採樣系統（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（14NH3）和重同位素（15NH3）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15NH3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‰可以作為校正被動採樣氨同位素分餾效應的參數。

「由於氣體擴散均遵循菲克定律（Fick’s law），該參數也適用於NOx、HONO和HNO3等其它含氮氣體同位素數據的校正。」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採樣測量數據的可靠性，促進被動採樣器在氣態汙染物同位素溯源研究領域中更廣泛的應用。」

該研究成果近期在線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、南京信息工程大學、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)項目資助。

圖1：大氣氨被動採樣和主動採樣外場對比實驗（2018年8月北京）

圖2：被動採樣（左）和主動採樣（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）

來源：中國科學院大氣物理研究所

相關焦點

  • 擴散同位素效應 II:β 值
    基於經典氣體動理論的氣相中分子擴散，擴散係數之比Dr可以用來表達其同位素效應。然而，我們知道在地球化學領域中涉及擴散同位素效應的體系還有很多不是氣相體系，而是像水溶液、矽酸鹽熔體，以及礦物和巖石這樣的凝聚相體系。理論上，在這些凝聚相中的擴散同位素效應可以用一個β值來描述。注意，這裡的β值並不是描述質量分餾定律或理論計算平衡分餾係數的那個β值。
  • 為什麼自然界巖漿系統未發現溫度梯度導致的鎂同位素分餾
    因為自然界巖漿溫度基本低於液相線，溫度梯度會導致兩端結晶，進而熔體部分產生濃度梯度，而在濃度梯度下的物質擴散又會驅動輕重同位素發生動力學分餾；此外，熔體部分自身發生的Soret效應（溫度梯度中純熔體相發生的物質不均一現象）也無法達到穩定狀態，將產生擴散導致的同位素動力學分餾。    以上兩種分餾過程都對Richter效應產生影響。
  • 頁巖氣運移過程中碳同位素分餾:機理、表徵及其意義
    前人業已提出並應用的評價方法（直接法、間接法）大多存在一定的局限性，目前還沒有公認的有效解決方法。同位素分餾法作為地球化學最重要的基礎研究工具之一，為解決上述關鍵問題提供了全新的方法和途徑。 在頁巖氣開採和現場解析過程中，甲烷碳同位素值（δ13C1）隨開採/解析時間表現出不同程度的同位素分餾現象。
  • GCA:攀枝花層狀巖體中鈦鐵礦大尺度Mg-Fe同位素分餾及對層狀侵入體...
    金屬Mg和Fe同位素理論上可以為其成因提供制約，這是因為：Fe是該礦床的主要組成元素；分離結晶和部分熔融不會顯著地使Mg同位素分餾，但會引起Fe同位素變化；液態不混溶產生的兩相具有不同的聚合度，富Si相理論上會產生大尺度Mg-Fe同位素分餾的現象。雖然前人對中國西南攀枝花和白馬巖體中的Mg-Fe同位素已進行研究，但仍未取得一致的結論。
  • GCA：攀枝花層狀巖體中鈦鐵礦大尺度Mg-Fe同位素分餾及對層狀侵入體成因的制約
    結果表明部分橄欖石和單斜輝石的Mg-Fe同位素變化範圍超過高溫巖漿過程平衡同位素分餾值，很可能是由動力學過程造成的。鈦鐵礦則具有明顯大的Mg-Fe同位素分餾，並表現為非線性的負相關關係（圖1）。這很可能是Mg-Fe互交換的結果，而並非熱擴散效應或大尺度巖漿分離結晶的結果。
  • 稻田生態系統汞同位素分餾特徵研究獲進展
    但是水稻體內甲基汞與無機汞的轉運途徑和來源存在顯著差異，因此研究水稻甲基汞與無機汞的同位素組成將有助於準確了解其來源和富集過程。., 2017），選擇貴州萬山汞礦區的稻田生態系統作為研究對象，按照四個生長周期分別採集大氣、灌溉水、根系土和水稻植株樣品，系統研究稻田生態系統甲基汞和無機汞的汞同位素分餾特徵。稻田生態系統無機汞與甲基汞的汞同位素分餾特徵存在顯著差異。水稻植株各部位無機汞的δ202Hg及Δ199Hg值差異明顯，其無機汞的來源各不相同（圖1a，b）。
  • 同位素效應
    上購書網站搜索一下「同位素」，大家可能會看到許多標題為《××同位素原理xxx》《××同位素分析與應用》的書。長期關注我們公眾號的朋友可能會注意到，我們公眾號很少用過同位素「原理」「應用」或類似的詞。反覆提到的一個詞叫做「同位素效應（Isotope Effects）」。什麼是同位素效應？ 同位素效應研究的是不同同位素體的熱力學性質的細微差別。
  • 地化所稻田生態系統汞同位素分餾特徵研究獲進展
    但是水稻體內甲基汞與無機汞的轉運途徑和來源存在顯著差異，因此研究水稻甲基汞與無機汞的同位素組成將有助於準確了解其來源和富集過程。., 2017），選擇貴州萬山汞礦區的稻田生態系統作為研究對象，按照四個生長周期分別採集大氣、灌溉水、根系土和水稻植株樣品，系統研究稻田生態系統甲基汞和無機汞的汞同位素分餾特徵。稻田生態系統無機汞與甲基汞的汞同位素分餾特徵存在顯著差異。水稻植株各部位無機汞的δ202Hg及Δ199Hg值差異明顯，其無機汞的來源各不相同（圖1a，b）。
  • 江桂斌團隊在納米材料轉化過程穩定同位素分餾方面取得重大突破
    環境化學與生態毒理學國家重點實驗室劉倩、江桂斌研究組近期在納米材料轉化過程同位素分餾方面取得重大突破，研究成果日前在線發表於Nature Nanotechnology，doi: 10.1038/nnano.2016.93; Impact Factor35.267，中科院生態環境中心為該工作唯一完成單位
  • 風化過程中Mo同位素分餾機理獲揭示
    中國科學院廣州地球化學研究所穩定同位素地球化學學科組副研究員王志兵及合作者在國際上率先發現了地球表生系統中偏輕Mo同位素潛在的長期穩定儲庫，揭示了風化過程中Mo同位素分餾機理。相關研究近日發表於《地球化學與宇宙化學學報》。準確限定陸源輸入到海洋的Mo同位素組成是運用Mo同位素準確反演地質歷史時期全球海洋氧化和缺氧事件的重要前提。
  • 濱珊瑚團簇同位素研究取得進展
    近年來不斷發展的新型同位素體系——碳酸鹽團簇同位素（clumped isotope，以Δ47值量化表示）具有指示礦物形成溫度而無需假設海水δ18O值的特性。因此，團簇同位素已逐漸發展成新型的地質溫度計，並開始在古氣候研究中得到應用。由於珊瑚骨骼碳酸鹽在形成過程中通常受到生物因素的影響，使得同位素組成無法達到熱力學平衡，結果導致濱珊瑚的Δ47值比在相同溫度條件下形成的無機碳酸鈣的值要偏高。
  • 風化過程中Mo同位素分餾機理獲揭示—新聞—科學網
    中國科學院廣州地球化學研究所穩定同位素地球化學學科組副研究員王志兵及合作者在國際上率先發現了地球表生系統中偏輕Mo同位素潛在的長期穩定儲庫，揭示了風化過程中
  • 部分熔融和熔體滲濾過程中Cu同位素分餾:以Alps造山帶Baldissero和Balmuccia地體橄欖巖為例
    Cu有兩種同位素，63Cu（30.83%）和65Cu（69.17%）。Cu同位素分餾已經被用於研究一系列重要的科學問題，例如：太陽系早期演化、地球核-幔分異、殼慢相互作用、大陸風化、生命演化、熱液活動和斑巖銅礦成因。近期研究揭示，上地幔的Cu同位素組成非常不均一，δ65Cu（相對於國際標樣NIST976）可以從‒0.68‰變化到1.82‰。前人認為如此巨大的Cu同位素組成是由陸殼物質再循環導致。
  • 廣州地化所揭示電子電離源質譜上裂解反應的氯/溴同位素效應
    然而，一些影響分析精度和準確度的問題尚待揭示和解決，如發生在色譜分離過程中的氯/溴同位素分餾和協同二維碳-氯/溴同位素分餾。除此以外，滷代有機物可能會在電子電離源質譜(EI-MS)上的裂解反應中發生嚴重氯/溴同位素效應。前人研究表明，EI-MS上的裂解反應中會發生異常巨大的氫/氘動力學同位素效應，量級高達102-103，遠超於常規溶液反應中的動力學同位素效應。
  • 非傳統穩定同位素探索地球形成與演化之謎
    根據Si同位素在深海燧石形成過程中巨大的分餾，判別太古代花崗巖的形成是與俯衝蝕變洋殼還是加厚海底高原有關。 非傳統穩定同位素在認識殼幔循環領域中的應用示意圖（詳見原文） 擴散導致的非傳統穩定同位素動力學分餾
  • 熔體-橄欖巖反應導致地幔Zn同位素組成的不均一:義大利阿爾卑斯IVZ橄欖巖的證據
    清楚掌握地幔過程中Zn同位素的分餾行為和分餾機制是利用Zn同位素解決地幔問題的前提條件。前人通過對橄欖巖包體的Zn同位素研究，獲得兩種截然相反的結論：（1）部分熔融（高達50%）不會導致橄欖巖Zn同位素組成的變化（≤0.06‰δ66Zn）；（2）部分熔融（>30%）能夠導致橄欖巖顯著的Zn同位素組成的變化（~0.16‰δ66Zn）。
  • JGR:火星地下滷水活動——來自火星磷灰石H和Cl同位素組成的證據
    雖然30億以來，火星表面就已經變成現在這樣極度寒冷和乾旱的環境，但是近些年的火星探測和火星隕石的研究表明，在火星的局部地區仍然可能存在過地下水（或流體）及水巖作用。火星地形地貌探測結果表明火星地下流體可能具有富含滷族元素，但至今缺乏相關的巖石學和地區化學制約。磷灰石是火星隕石中普遍存在的副礦物，不僅能用於確定地質事件的年代，也是揭示其源區地球化學性質的重要窗口。
  • JGR：火星地下滷水活動——來自火星磷灰石H和Cl同位素組成的證據
    雖然30億以來，火星表面就已經變成現在這樣極度寒冷和乾旱的環境，但是近些年的火星探測和火星隕石的研究表明，在火星的局部地區仍然可能存在過地下水（或流體）及水巖作用。火星地形地貌探測結果表明火星地下流體可能具有富含滷族元素，但至今缺乏相關的巖石學和地區化學制約。磷灰石是火星隕石中普遍存在的副礦物，不僅能用於確定地質事件的年代，也是揭示其源區地球化學性質的重要窗口。
  • 地質地球所研究出實時在線氧校正高精度鋨同位素測定方法
    鋨同位素分析最關鍵的技術進展是負離子熱電離質譜（NTIMS）鋨同位素測定方法的建立。然而由於同位素分餾效應的存在，自然界氧同位素比值存在一定的變化範圍，而實驗室氧同位素測定值也可能隨實驗條件（比如燈絲溫度、發射劑配比及加載方式、離子源氧壓等因素）變化，甚至NTIMS測試過程中氧同位素都可能存在複雜的分餾效應（即氧同位素組成可能隨著測試的進行而發生變化），因此傳統方法採用固定的氧同位素比值進行鋨同位素分析結果的氧校正計算，可能影響最終
  • 專家觀點 陳玖斌:土壤環境重金屬汙染的同位素示蹤
    主要從事金屬穩定同位素環境地球化學研究，建立了地質樣品鋅、汞、鎵、銻等同位素分析方法，在有機絡合、礦物吸附等環境過程金屬同位素分餾機制、汞同位素非質量分餾機理、古氣候重建以及土壤、河流、大氣、湖泊等環境金屬同位素應用等研究方面取得系列原創性成果，在NC、GCA、EST等高水平SCI期刊發表多篇學術論文。