作者:王敏 来源: 中国科学报 发布时间:2023-9-27
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夏季北极大气汞为何有峰值?

▲北冰洋的局部海冰分布图。

▲乐凡阁在德国极星号科考船上调试观测仪器。 中国科学技术大学供图

■本报记者 王敏

近日,中国科学技术大学教授谢周清、特任副研究员乐凡阁与国内外学者合作,在国际北极气候研究多学科漂流观测计划(MOSAiC)实施期间,开展了有关汞的生物地球化学循环研究,发现边缘冰区,即海冰完全覆盖的海域与开阔海域之间的过渡区域是大气汞的重要来源,提出了夏季北极大气汞峰值现象的产生机制。研究成果日前发表于《自然-通讯》。

汞污染防治迫在眉睫

汞在常温常压下是一种含有剧毒的液态金属,具有较高的挥发性。

大气中,汞主要以气态零价汞、气态二价汞、颗粒结合态二价汞3种形式存在。其中,气态零价汞占大气总汞的比例超过90%,因此气态零价汞的含量接近于大气中总汞的含量。而且气态零价汞在大气中停留时间较长,约为0.5年至1年,可随大气环流进行长距离传输,成为全球性污染物。通过大气传输及沉降等途径进入水体的汞,经微生物甲基化后,会进入水生食物链,通过富集、放大作用危害水体生态环境。

摄入被汞污染的水产品会影响人体健康,对胃肠道系统、神经系统以及胎儿有毒害作用,受毒害者听觉及感官出现障碍,受毒害新生婴儿则可能出现智障、脑瘫、眼盲等问题。

针对全球汞污染,联合国环境规划署通过了一项具有法律约束力的国际公约——《关于汞的水俣公约》。这使得汞污染防治成为环境领域的研究热点。

北极地区在北半球汞循环过程中扮演着重要角色,是环境汞暴露的敏感地区。最新的北极汞评估报告显示,北极生物面临高水平汞暴露,生活在北极的人们是全球汞暴露水平最高的人群之一。

科学家提出,汞在北极的迁移转化与其独特的自然环境有关。加拿大学者于1998年在《自然》上发表的研究发现,北极地区气态零价汞具有春季浓度亏损、夏季浓度呈现峰值的独特季节变化现象,其夏季平均浓度水平超过北半球背景浓度。但是,夏季气态零价汞浓度峰值的汞来源及机制目前仍然存在争议。

边缘冰区或是主导因素

2019年秋季至2020年秋季,谢周清等与合作者在MOSAiC实施期间,在德国极星号科考船上安装了Tekran 2537大气痕量汞在线分析仪,率先对北冰洋海域开展了为期一年的大气汞在线观测。他们观测发现,气态零价汞浓度表现出和前人研究类似的夏季峰值。

于是,他们进一步构建了广义相加模型,在气态零价汞浓度与人为排放、区域传输、海洋释放等影响因子之间建立了联系,以评估这些影响因子对气态零价汞浓度变化的贡献。

研究结果表明,超过63%的气态零价汞变化可以用模型解释。其中,人为及陆源排放的贡献不超过2%。海洋排放的贡献则接近52%,是影响北冰洋夏季气态零价汞变化的主导因素。

根据潜在源区贡献分析,研究人员发现,夏季汞的海洋排放主要发生在边缘冰区。根据估算,该区域汞排放通量是开阔水域的2倍多。

最终,研究团队综合多学科观测数据分析,提出了驱动边缘冰区汞释放过程的机制。春季,由于海-冰-气界面光化学反应,使得大量气态零价汞被氧化成为二价汞,沉降于海冰表面,即春季气态零价汞浓度亏损。到了夏季,这些沉降积累在海冰上的二价汞会随着冰雪融化进入海水,使边缘冰区的海水中二价汞含量升高。

由于边缘冰区具有较高的浮游植物量,在夏季海冰融化及进入海水光照增强的条件下,促进了浮游植物的光合作用,产生大量有机物质,进而促进水体二价汞被还原成为零价汞,后者更容易挥发进入大气中。此外,边缘冰区海冰的融化,减少了海水中零价汞向大气释放的屏障,使得边缘冰区成为夏季北极大气中气态零价汞的重要来源,从而使北冰洋夏季气态零价汞浓度出现峰值现象。

预测未来边缘冰区汞排放会更多

此次研究揭示了北冰洋海冰变化对汞循环过程的影响,为正确评估极地生物和人群的汞暴露风险提供了科学依据。

在气候变暖的大背景下,北极是全球升温最快的区域之一。那么,未来边缘冰区汞排放会发生哪些变化?研究团队进一步预测了该变化情景。

未来气温升高,海冰融化更快,而且原本常年不融化的海冰将逐渐被季节性融化的海冰所取代。一方面,这种条件会促进海-冰-气界面的光化学反应,导致更多气态零价汞的氧化沉降,增加了边缘冰区的二价汞输入;另一方面,海冰的进一步消融使该区域的海表光照以及浮游植物量增加,这有利于海水中的二价汞被还原,致使更多的零价汞向大气释放。由于中心北冰洋边缘冰区面积未来将进一步扩大,该区域作为汞源区应引起重视。

谢周清表示,未来研究团队将进一步结合汞的观测和模式模拟研究,定量评估边缘冰区汞释放对北极大气汞的贡献,以及在未来气候情景下其贡献的变化。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40660-9

《中国科学报》 (2023-09-27 第4版 综合)
 
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