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了解酸雨的来源和季节变化

日期: 2020-02-17
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了解酸雨的来源和季节变化

在“Influence of anthropogenic emissions on wet deposition of pollutants and rainwater acidity in Guwahati, a UNESCO heritage city in Northeast India”一文中,印度和中国科学家在印度东北部古瓦哈蒂走廊(被联合国教科文组织列为世界遗产)收集了一年的降雨,并分析了其化学组成和来源。


酸雨是指pH值小于5.6的降雨,会对生态系统造成不利的影响。是由人类活动产生的二氧化硫和氮氧化合物与大气中的水分子反应生成酸而形成的。以前的研究认为在印度东北部,酸性物质中硫(SO42-)和 氮(NO3-)的较高的水平对当地的自然生态系统造成很大的威胁。古瓦哈蒂地区土壤肥沃且富含矿物质,但其土壤结皮具有酸性,无法中和酸雨的干湿沉降。2016.6-2017.6,在季风和非季风季节,酸雨的发生频率分别为64%和87%,科学家们在此期间研究了当地雨水的化学组成和来源(同位素法)。

了解酸雨的来源和季节变化

涉及酸雨湿沉降和干沉降的过程(在酸雨中SO2和 NOX起主要作用)

1.试验方法

用清洗过的硼硅酸盐瓶收集样品,并配置有聚乙烯漏斗,放置于屋顶上。开始下雨后立即放置收集器,雨停后收回。首先检测每个样品的pH,然后将其转移到干净的聚乙烯小瓶中,使用原子吸收光谱法分析其金属和总有机碳。利用离子色谱法分析测量每个样品已过滤的等分试样中的阴离子和阳离子。利用LGR-ICOS加强型水同位素分析仪GLA431-TIWA(TIWA-45-EP)对剩余的未过滤(防止蒸发损失)10mL试样进行同位素分析

了解酸雨的来源和季节变化


LGR-ICOS加强型水同位素分析仪GLA431-TIWA

2. 结果

2.1同位素分析-大气降水线

为了确认雨水的来源,计算了痕量金属相对于地壳元素的富集因子(EF),即分析样品中金属的平均浓度与沿海地壳中的平均浓度之比。检测一些元素是受人为来源影响而不是自然来源。铅,锌,钴,铜的EF值>5表示明显富集,并证实了该区域以人为来源为主导。LGR-ICOS分析仪确定研究期间采集样品的δD和δ18O,得到当地的大气降水线:δD(‰)=8.4δ18O+12.01。

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2016.6-2017.6收集样品的同位素分析(δDδ18O)(a)当地大气降水线(b)降水同位素组成的季节性影响(Garaga.et al.)


当地大气降水线的斜率和截距与全球大气降水线(GMWL)相似,这表明印度东北部热带季风雨林地区雨滴形成不受蒸发影响。季风季节(-4.11‰和-23.41‰)δ18O和δD值小于非季风季节(-0.80‰和5.60‰),表明非季风季节,雨水的同位素富集。


2.2 同位素分析-氘盈余

氘盈余是确定水分来源的一个重要因子。氘盈余观测值>10‰,表明非季风季节水分来源于大陆(内陆水域)。相反地,季风季节氘盈余<10‰,表明通过蒸散作用的海洋对水分来源贡献率大。使用内部实验室标准进行3年的定期测量,得出与氘盈余相关的误差值。作者发现氘盈余的误差值是0.75‰,显著低于以往研究中质谱仪的结果。他们认为LGR-ICOS技术在稳定同位素分析中具有很高的精度


为了理解降水同位素组成的季节性影响,将δ18O和氘盈余的关系进行作图。分布图显示两组不同数据点具有不同的趋势线,分别表示季风和非季风季节的样本。非季风季节δ18O和氘盈余的关系图中的斜率较高,表示雨滴受到强烈蒸发。季风季节,斜率减小表明由于湿度增加导致蒸发降低。

2.3来源贡献确定

作者利用同位素分析确定来源的同时,利用美国国家环境保护局(U.S.EPA)的正矩阵因数分解模型(PMF)v5.0。该模型技术不需要来源特征的先验知识,输入不同来源的各种污染物的浓度值即可。U.S.EPA PMF5.0模型的应用表明季风季节海洋来源的贡献较大(40%),非季风季节工业来源的贡献较大(28%),这支持同位素分析的结果。EF分析确定了人为来源的Pb和Zn的富集贡献,证实了该地区需要实施科学严格的控制策略,在区域和全球范围内调节导致严重酸雨的人为活动。

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 使用美国EPA的PMF模型v5.0综合识别降雨来源贡献

3. 结论

当前的研究是在印度增长最快的城市之一的古瓦哈蒂进行的,该地区几十年来发展不受控制,人类活动增多,导致空气质量下降。因此,分析后的PM湿沉降揭示了该地区长达一年的酸雨事件(pH<5.6)。雨水样品中一些主要离子,痕量金属以及TOC的测量表明地壳物种的浓度低,酸性物质的缓冲能力可忽略不计。同位素分析和反向轨迹分析表明非季风期,雨水主要来源于内陆水域,而季风期水分从海洋输送而来。非季风季节,降水同位素富集(氘盈余为9.47‰),季风季节,降水同位素贫化(氘盈余为12.14‰)。这些结果支持了美国国家环境保护局(U.S.EPA)的正矩阵因数分解模型(PMF)v5.0分析得出的结论,即季风季节海洋来源的贡献最高,非季风季节工业来源的贡献最高此外,EF分析确定了来源于人类活动的铅和锌的丰富贡献,表明该地区需要实施科学的控制策略以调节导致严重酸雨的人类活动。


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