近日，南方科技大学环境科学与工程学院、深圳国家应用数学中心教授傅宗玫团队，携手香港科技大学化学系及环境学部讲席教授郁建珍团队，在《科学》期刊发表最新研究成果 ——“氮主导全球大气有机气溶胶的吸光效应（Nitrogen dominates global atmospheric organic aerosol absorption）”。该研究在大气科学领域具有重要科学意义，首次模拟量化了有机气溶胶中含氮吸光组分——棕色氮（brown nitrogen，BrN）的全球丰度，并揭示了其光学性质随化学老化的演变规律。

研究表明，棕色氮贡献了全球有机气溶胶约70%的吸光效应，且其化学演化主导了有机气溶胶吸光的时空变化。这一成果建立了一个以氮元素为核心的全新理论框架，对表征及追踪有机气溶胶的气候影响意义重大。

大气气溶胶通过吸收和散射太阳光辐射影响地球气候，其中有机气溶胶在近紫外到可见光波段具有显著的吸光能力。然而，由于有机气溶胶组分复杂且在大气中不断演化，评估其气候效应一直是科学界的一大挑战。传统模式仅追踪有机气溶胶中碳元素的化学演化，难以精确表征吸光有机物的组分来源、变化与吸光性质之间的关系。

针对这一难题，南科大与港科大团队提出了通过量化吸光性有机氮组分（棕色氮），来评估全球有机气溶胶的辐射吸收。研究团队基于GEOS-Chem模式创建了全球大气有机氮模型，将有机氮分类为棕色氮和白色氮（即不吸光的有机氮组分），并模拟了棕色氮向白色氮的光化学演化过程。通过将模拟结果与北美及全球气溶胶吸光观测对比，该研究首次量化了棕色氮的全球辐射效应，并揭示了驱动棕色氮辐射吸收时空变化的关键因素（图1）。

图1. 有机气溶胶中含氮组分及其吸光性变化的示意图

研究显示，模式模拟的棕色氮吸收系数可解释北美观测到的地面大气有机气溶胶吸收系数的76%（图2）。此外，棕色氮再现了有机气溶胶吸光性的空间分布和季节变化特征。冬季，模拟的棕色氮吸收系数占观测有机气溶胶吸收的63%；夏季，这一比例上升至94%。有机气溶胶吸光的时空变化，主要反映了不同来源有机氮组分在质量吸收效率（mass absorption efficiency，MAE）和光漂白敏感性的差异。

图2. 模拟棕色氮地表吸收系数，与地面观测有机气溶胶吸收系数对比

该研究进一步评估了棕色氮对全球大气吸收性气溶胶光学厚度（absorptive aerosol optical depth，AAOD）的贡献。通过对比模拟的棕色氮 AAOD与全球175个站点的观测，研究发现模拟的棕色氮 AAOD能够解释观测中有机气溶胶AAOD的61%，并且能较好地再现其时空变化特征（图3）。模型表明，生物质燃烧是棕色氮 AAOD的最大贡献源（占39%），其次是人为源（26%）、二次生成的硝基芳香化合物（20%）和二次生成的亚胺类化合物（15%），且生物质燃烧排放的棕色氮是有机气溶胶AAOD时空变化的主要驱动因素。

图3.全球范围内模拟的棕色氮吸收性气溶胶光学厚度（AAOD）与AERONET观测有机气溶胶吸收性气溶胶光学厚度的月均值对比。

基于上述结果，研究评估了棕色氮的全球吸光性直接辐射效应（absorptive direct radiative effect，DRE），并与黑碳（black carbon，BC）的吸光性直接辐射效应比较（图4）。棕色氮的全球平均吸光性直接辐射效应为0.034 W m⁻²，约为黑碳的22%；但在生物质燃烧显著的地区，棕色氮的吸光性直接辐射效应可高达黑碳的120%。全球范围内，生物质燃烧是棕色氮吸光性直接辐射效应最大贡献源（0.013 W m⁻²），其次是亚胺类二次棕色氮（0.009 W m⁻²）和人为源棕色氮（0.009 W m⁻²）。

图4. 模拟全球晴空条件下棕色氮气溶胶吸收性直接辐射效应（DRE）与其来源归因，及其与黑碳气溶胶辐射效应比值

该研究特别指出，气候变暖将导致生物质燃烧增加，而由此排放的高吸光性棕色氮气溶胶将进一步促进气候变暖，形成一个此前未知的正反馈途径。未来研究应着重研究不同棕色氮物种的光学和吸湿性质如何随化学老化演变，并识别其他非含氮的吸光有机物，从而建立对有机气溶胶气候效应的全面定量认识。这项研究为理解大气有机气溶胶的气候效应提供了新的视角，对预测未来气候变化具有重要意义。

南方科技大学为该论文第一单位。论文第一作者是南方科技大学-香港科技大学联合培养博士毕业生李钰敏。傅宗玫和郁建珍为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、香港研究资助局、深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室、深圳市科技计划、广东省重大人才计划、高水平专项基金多个重要项目的支持。计算资源由南方科技大学计算科学与工程中心提供。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr4473

供稿单位：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

编辑：周易霖