论文部分内容阅读
二甲基硫(Dimethylsulphide，DMS)是一种重要的海洋生源硫化物，通过海气交换进入大气后生成生物源硫酸盐气溶胶从而对气候产生影响。海洋大气中约90％的DMS是来自海洋，南大洋占世界大洋面积的20％，是全球DMS重要的源之一。南极及南大洋在全球气候系统中扮演着重要的角色，是天然硫化物循环研究的重要场所。目前，对南极区域硫循环的研究，已经逐渐形成了从海水、大气到海冰的立体观测体系。然而，由于南极地区气候恶劣，在此开展硫循环的研究异常困难，能获取现场观测数据也十分稀少。因此，在中国南极科学考察中开展硫循环的研究，对了解南极硫循环及其对气候的影响具有重要意义。 本研究首次分析了从2005年2月至2008年10月在东南极中国中山站大气气溶胶中的甲磺酸(Methane Sulfonic Acid，MSA)及非海盐硫酸盐(non-sea-saltsulfate，nss-SO42-)年际变化数据。结果表明，大气中的硫化物浓度具有明显的季节变化规律，夏季较高，而冬季较低。邻近海域冰间湖的叶绿素(Chlorophyllα，Chl-α)与MSA(r=0.726,n=52,p＜0.01),nss-SO42-(r=0.724,n=48,p＜0.01)具有显著的正相关关系，说明冰间湖的浮游植物活动对中山站大气含硫气溶胶的季节变化起到关键作用。冰间湖周边海冰及其面积的变化在春夏季可对含硫气溶胶产生间接的影响。在冬季，海洋释放到大气的含硫气溶胶可跨越大范围的冰面，长距离传输到中山站上空。为此，全面了解MSA前身海洋生源DMS的分布和释放对大气含硫气溶胶年际及季节变化的影响，成为本论文的一个重要科学命题。 为了获取南大洋海水DMS的高分辨率数据，需要发展一套船载走航系统。为此本研究自主研发了一台吹扫捕集仪器(Purge and Trap，PT)，与气相色谱脉冲火焰光度检测器(Gas Chromatography-Pulsed Flame Photometric Detection，GC-PFPD)联用，实现了船载长期连续测定海水中的DMS。该系统具有自动化程度高，运行高效等特点，并可实现电子制冷及加热，分析一个样品只需8.5min。对PT-GC-PFPD系统中的几个关键影响因素进行了优化，方法的检测限可达0.05nM，并得到尖锐的DMS色谱峰型。因过滤及不过滤样品的DMS响应信号偏差很小(0.7％-4.7％)，故采用不过滤的海水连续进入PT-GC-PFPD系统进行观测。此外，现场连续9天的观测结果表明，DMS标准样品的响应信号偏差仅为6.0％，说明该系统在海上应用具有很好的稳定性及可靠性。同时，PT-GC-PFPD系统能够在现场获取大量的数据。该方法也可以进行海水中二甲基巯基丙酸(Dimethylsulfoniopropionate，DMSP)的测定。 上述方法首次应用在中国南极科学考察航线上，实现南大洋表层海水DMS的走航观测（2014年2月7日至2014年4月11），进行DMS的海-气交换过程研究，并分析生源DMS对含硫气溶胶的影响。结果发现，在南大洋海域，表层海水DMS浓度的空间变化很大(0.07-73.16nM)，并与海水pCO2具有显著的负相关关系（r=-0.849，n=25，p＜0.01）。在南大洋海冰边缘，DMS浓度主要受浮游植物活动的影响，部分海域DMS的高值受海冰融化的影响。南大洋海-气DMS通量较高，且其变化与表层海水DMS变化较为一致。此外，估算的南大洋2月份海-气DMS通量约为34.0Gmol S，约占全球年海-气DMS通量值的3.87％。而在大尺度南北纬度分布上，表层海水DMS浓度变化幅度相对较小(0.15-16.93nM)，并与海水pCO2无显著相关关系。南北纬度上的表层海水DMS分布控制因素较为复杂，大部分航段浮游植物活动并不是主控因素。在南大洋观测到较高的MSA值，主要与高的DMS源强及较低的温度相关。然而，在南大洋航线上DMS高源强与MSA值并无明显对应关系，说明大气含硫气溶胶的影响因素较为复杂，不仅和DMS源相关，还与气团移动、气温变化有关。 中国第30次南极考察期间，在中山站邻近固定冰区采集了两根海冰冰芯并首次分析其中的DMS、DMSP含量。结果表明，两根冰芯上层均含有较高浓度的DMSP+ DMS，分别高达114.93nM及134.41nM。冰芯中DMS、DMSP+ DMS浓度随深度的增加而递减。两根冰芯顶部DMSP+DMS高值的成因不同，冰芯1主要受藻类活动影响而产生DMSP+DMS高值，冰芯2主要是由于雪层及薄冰层阻碍，致使DMS在冰芯顶部聚集产生DMS高值。因为海冰底部较高生物量的海冰融化进入水体，所观测的剩余海冰底部Chl-α、 DMSP+DMS值均较低。在海冰的融化过程中，卤道内的卤水可发生垂向运输，对冰芯中Chl-α、DMSP+DMS的垂直分布产生影响。冰芯的Chl-α、DMSP+DMS总量分别为6.79mg m-2和10.20 mg m-2、51.83μmol m-2和88.41μmol m-2，与前人的研究结果比较，在海冰融化过程中，海冰中Chl-α、DMSP+DMS的总量变化总趋势是递减的。