中國科大沈延安課題組在研究霧霾的物質來源和形成機制上取得重要進展。研究人員系統采集了華北不同地質時代代表性煤礦的煤樣品，開展了1000℃條件下煤的燃燒實驗；通過對燃燒產生顆粒物中硫酸鹽的高精度硫同位素分析，研究人員發現了典型的非質量硫同位素分餾現象。與現代霧霾硫酸鹽的硫同位素比較分析表明，煤燃燒產生的顆粒物是華北霧霾的主要物源之一。同時，該研究還對歐洲文物、古建筑和雕像表層黑色硫酸鹽殼的形成提出了新的解釋，對歷史遺跡保護具有重要參考意義。相關研究成果在線發表于12月10日出版的國際綜合學術期刊《美國科學院院刊》(PNAS)上。
受人類活動和自然條件的共同影響，當今大氣污染情況嚴重，其中霧霾天氣嚴重影響了經濟發展和人類健康，因此研究霧霾的物質來源和形成機制具有重要的理論和現實意義。研究人員首先對不同地質時代的煤進行燃燒實驗，進而收集粒徑小于2.5微米的顆粒物樣品并對其中的硫酸鹽組分進行高精度硫同位素測試。結果顯示，煤和其燃燒產物的硫同位素組成具有顯著差異(如圖1)；結合理論計算，研究人員發現煤燃燒產生了非質量硫同位素分餾。前人的研究表明，非質量硫同位素分餾主要出現在22億年之前的巖石樣品中，因此煤的燃燒代表了一種新的非質量硫同位素分餾機制，具有重要的理論意義。
圖1 煤中的黃鐵礦和煤燃燒產生顆粒物中硫酸鹽的硫同位素組成
進一步分析發現，煤燃燒產生的顆粒物與華北霧霾顆粒物中硫酸鹽的同位素組成非常相似(如圖2)。前人對華北霧霾硫酸鹽的硫同位素異常組成存在不同認識，而煤燃燒實驗結果證明煤燃燒產生的顆粒物是華北霧霾的重要物源。研究人員還發現，相似硫同位素的異常組成也出現在歐洲文物和雕像以及古老建筑物等表面的黑色硫酸鹽殼體上。20世紀60年代以來，歐洲科學家的研究證明黑色硫酸鹽殼體的形成經歷了復雜的物理和化學過程，其中大氣污染和火山噴發均可能起到重要作用。通過硫同位素的系統分析，研究人員提出煤燃燒產物是歐洲雕像、建筑物等歷史遺跡上硫酸鹽殼的重要物源，這一結論與當時歐洲在工農業發展過程中大量使用煤產生的大氣污染歷史高度一致。
圖2 現代硫酸鹽氣溶膠以及煤燃燒產生的顆粒物中硫酸鹽的同位素組成
研究結果為霧霾的物質來源和形成機制等提供了新的研究思路和證據，為大氣顆粒物污染防治政策的制定提供了新的科學依據，也充分體現了硫同位素在解析現代及歷史環境方面的重要作用。
沈延安為論文的第一和通訊作者。
