第一作者：Xu-Cheng He
通讯作者：Xu-Cheng He, Jasper Kirkby, Mikko Sipilä
通讯单位：University of Helsinki, Goethe University Frankfurt, the European Organization for Nuclear Research
DOI: 10.1126/science.abe0298
背景介绍
新颗粒的形成在气候的辐射强迫特征中起着重要作用。当粒子尺寸较大时，它们直接通过散射，或间接通过产生云凝结核(Cloud Condensation Nuclei, CCN)影响气候。然而，新粒子的形成和气溶胶-云的相互作用仍然相对缺乏了解。到目前为止，只有以下几种蒸汽可以在大气条件下形成新的粒子：硫酸、甲磺酸、碘、高氧有机分子(HOMs)、硝酸，且离子在稳定酸性或生物颗粒中起着相当的作用。海洋新粒子的形成多年来一直是气溶胶-气候相互作用和反馈的焦点，主要涉及二甲基硫及其氧化产物。虽然碘氧化物的成核研究早在20多年前就开始了，但目前认为碘粒子的形成在全球范围内的意义有限。
海洋表面是大气碘的主要来源。亚碘酸(HOI)和碘分子(I2)是由气态臭氧与碘化物(I−)反应释放出来的。热带大西洋白天的典型排放物是7×107 HOI分子/cm2/s和7×106 I2分子/cm2/s，导致白天在海洋边界层碘原子的混合比例约为万亿分之一。此外，在许多地点都发现了碘化合物，包括沿海地区、北极海冰、海洋边界层、自由对流层以及平流层。
最近，碘酸(HIO3)被证明会促进爱尔兰海岸的海洋新粒子的形成，且中国沿海有强烈的碘颗粒形成。然而，由于缺乏在大气条件下的受控实验研究，导致大气中对HIO3的观测不能与预测的粒子形成和生长速率联系起来。HIO3成核的机理已经确定，但是离子诱导的(带电的)和中性的(不带电的)团簇并没有分开，且可能涉及不同的碘化合物。
本文亮点
碘酸(HIO3)在沿海海洋地区形成气溶胶粒子，但缺乏对于其成核和增长速度的预测。该工作利用CERN CLOUD(Cosmics Leaving Outdoor Droplets)，发现HIO3粒子的成核速率很快，甚至超过硫酸-氨在类似条件下的成核速率，且离子诱导的成核过程和中性成核过程具有不同的反应动力学。新形成的粒子几乎全部由HIO3组成，HIO3在动力学极限下驱动粒子快速生长。该研究证明HIO3的普遍性及其在大气原始区域如海洋海岸、北极边界层或上层自由对流层中与硫酸(-氨)粒子形成竞争的潜力
图文解析
图1. 成核和生长速率与碘酸浓度的关系。
要点：
1. 即使在多云的日光条件下(紫外线辐射较弱)，分子碘也会产生碘氧酸。
2. 在相同的酸浓度下，碘氧酸的成核速率超过了H2SO4·NH3。
3. 在1.8~3.2 nm的尺寸范围及以上的碘粒子中，HIO3占主导地位而非氧化碘。
4. 在这种极低的HIO3浓度和冷凝“汇”的条件下，离子很可能对稳定未成熟的团簇非常重要，即离子诱导成核将是主要机制。
图2. 碘含氧酸团簇的成核机理。
要点：
1. 几乎所有的负电荷粒子在到达3 nm之前都被电荷复合所中和，并以中性粒子为主继续生长。
2. HIO2在稳定中性HIO3团簇中起着关键作用。
3. HIO3与碱(HIO3·NH3, 5.0 kcal/mol)配对的亲和力很弱。一旦中性粒子超过临界尺寸，仅通过HIO3的冷凝就可以继续生长，因此生长不再受到低浓度HIO2的限制。
图3. 离子诱导碘酸成核的碰撞速率系数。
要点：
1. 通过测量每个步骤的碰撞率系数进一步研究离子诱导成核机制。
2. 在误差范围内，从二聚体到11个碘原子的碘簇，HIO3的碰撞速率系数是相同的。
3. 对含有11个碘原子的带电团簇的单个碰撞率系数的测量结果与理论预期相吻合，表明离子诱导的碘酸成核在动力学极限下进行，因此严格来说是一个无障碍的过程。
图4. 碘代含氧酸成核过程中粒径和化学组成的演变。
要点：
1. 图4A显示了成核实验中颗粒尺寸的演变过程，且不同粒径的颗粒采用不同的观测方法；图4B为总颗粒体积的演变
2. 质谱表明，新形成的颗粒几乎全部由HIO3组成，而非先前认为的I2O4−5；蒸发的HIO3是由颗粒相中的碘酸造成的，而不是由其他碘化合物的热分解造成的。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6529/589
作者简介
Xucheng He
2011-09 to 2015-07，云南大学，本科；
2015-09 to 2017-10，University of Helsinki（赫尔辛基大学，芬兰），硕士；
2018-01 to present，University of Helsinki，PhD candidate。
介绍：
https://researchportal.helsinki.fi/en/persons/xucheng-he/activities