近日，國際期刊《美國科學院院刊》（PNAS）在線發表了中國科學院地球環境研究所王格慧課題組對我國灰霾成因的最新研究成果。該研究團隊通過外場觀測與實驗室煙霧箱模擬，發現并證實大氣細顆粒物上二氧化氮液相氧化二氧化硫是我國當前霧霾期間硫酸鹽的重要形成機制。
眾所周知，硫酸鹽氣溶膠對人體健康、生態系統及氣候環境都有顯著影響，然而硫酸鹽的形成機制一直困擾著相關研究學者。
王格慧聯合北京大學、中科院大氣物理研究所、美國德州農工大學等多家國內外合作團隊，針對我國京津冀乃至整個華北秋冬季時常遭遇大范圍霧霾污染，并伴隨著PM2.5濃度暴增現象，通過外場觀測與實驗室煙霧箱模擬，發現并證實大氣細顆粒物上二氧化氮液相氧化二氧化硫是我國當前霧霾期間硫酸鹽的重要形成機制。
硫酸鹽是大氣氣溶膠PM2.5（也稱作大氣細粒子）中主要組分之一，它對云的形成、酸雨、能見度和人體健康有著重要影響。大氣中的硫酸鹽主要是二氧化硫經光化學氧化形成。二氧化硫氧化形成硫酸鹽既可通過氣相均相反應發生，也可通過非均相反應在云滴或氣溶膠液相氧化形成，而后者是全球硫酸鹽的主要形成途徑，但是相關化學轉化機制還不是很清楚。
西安和北京外場觀測表明：霧霾期高濕度下硫酸鹽濃度迅速增加，二氧化硫在氣溶膠液相轉化成硫酸鹽隨著相對濕度的增加而呈指數型增長（圖1C, 1G），同期伴隨著高濃度的氮氧化物和氨氣（圖1D, 1H）。
傳統理論對大氣中二氧化氮氧化二氧化硫的效應并未給予足夠重視，當前國內外學者對大氣氣溶膠液相二氧化氮氧化二氧化硫的作用也大多處于猜測與爭議中，缺乏直接證據。通過實驗室煙霧箱模擬，研究團隊發現：二氧化氮可在大氣氣溶膠液相中快速氧化二氧化硫，生成硫酸鹽；并且，只有當二氧化硫、二氧化氮、氨氣、高相對濕度以及吸濕性晶種五個條件同時滿足時，上述非均相反應才能發生，且硫酸鹽形成速率與二氧化氮濃度的平方成正比（二階反應），即：在霧霾天高濃度氮氧化物條件下，上述反應更為顯著。
二氧化硫液相氧化受顆粒物酸度影響，在酸性條件下，二氧化硫難以溶解到氣溶膠液相中；但當氣溶膠液相酸度較低甚至接近中性時，二氧化硫的溶解度和氧化速率均會迅速提高，比如當氣溶膠液相pH值由2增加到4，二氧化硫的亨利常數和氧化速率分別會增加2個數量級。一方面，我國農田大量施用氮肥，大氣中氨氣濃度高，有效降低了大氣氣溶膠的酸度，從而大大促進氣態二氧化硫向氣溶膠液相的轉移，另一方面，霧霾天氣下高濃度二氧化氮提供了有效氧化劑，從而導致氣溶膠上二氧化硫快速氧化生成硫酸鹽（硫酸銨或硫酸氫銨）。
類似機制也曾導致著名的1952年英國倫敦煙霧（London Fog ）事件。雖然倫敦當時并沒有大量氨氣存在，但是由于工廠和居民大量燃煤排放，大氣中存在高濃度二氧化硫和二氧化氮，在濃霧天氣條件下，霧滴上發生二氧化硫氧化，生成大量硫酸。由于霧滴直徑在數十微米，其體積比灰霾粒子大2-3個數量級，因此，所形成的硫酸被高度稀釋，霧滴并沒有顯現強酸性。但是在中午時分隨著氣溫升高，霧滴上水汽蒸發，霧滴直徑由數十微米變小為1-2個微米，硫酸被高度濃縮，產生大量強酸性氣溶膠，從而引發大規模呼吸道疾病，導致三周內數千人死亡。
由于具有強吸水性，形成的硫酸鹽在霧霾天高濕度條件下會促進硝酸鹽和二次有機氣溶膠的形成，這些物質之間的協同效應進一步加劇了我國華北霧霾污染。根據這些新認識，研究團隊指出：當前我國大氣二氧化硫有效減排控制的同時，亟需進一步加強氮氧化物、氨氣和揮發性有機污染物減排控制，本著由易到難的原則，應優先加強氮氧化物減排控制。
該項工作得到了國家自然科學基金委杰出青年基金、中科院先導專項等項目資助。