大气颗粒物（气溶胶），尤其是直径小于2.5微米的细颗粒物（PM2.5），不仅影响环境空气质量，还可以通过散射太阳辐射影响气候系统。硝酸盐是大气PM2.5的主要二次组分，其前体物NOX（= NO + NO2）在对流层臭氧生成中发挥关键作用，并在沉降至地表后为生物圈提供营养源，对生态系统具有深远影响。自工业革命以来，由于化石燃料的使用和农业活动的扩大，北半球的SOX与NOX排放急剧上升，导致20世纪70~80年代严重的全球大气污染。虽然西方发达国家通过实施《清洁空气法案》等法规后，NOX排放逐步下降，但由于硝酸在大气中既以气态硝酸（HNO3）也以颗粒态硝酸盐（NO3⁻）存在，其大气行为的理解与预测仍较为复杂。
极地地区的冰芯通过逐年累积的降雪，记录了大气中的气体与气溶胶，是极为宝贵的天然“时间胶囊”。格陵兰冰盖因靠近北美与欧洲的人为排放源区，是理想的研究区域。然而，NO3⁻具有挥发性，易受阳光照射而分解，难以在冰芯中完整保存其原始信号。研究团队通过此前研究（Wei, Hattori et al. 2025, ACP 2025）发现，来自格陵兰东南穹顶（SE-Dome）的冰芯样本因其特定的氮同位素特征，适用于大气硝酸历史记录的重建，并基于此重建了1800年至2020年的硝酸变化趋势。
针对上述科学问题，研究团队利用格陵兰冰盖的冰芯样本，成功高精度重建了从工业革命至今的大气硝酸（NO3⁻）历史变化。研究发现，大气中硝酸浓度的增加与后期的下降并非仅由人为氮氧化物（NOX）排放量驱动，而是受控于随大气酸度变化所导致的气-粒分配过程。这一结果强调了大气酸度在控制硝酸长距离输送至北极过程中的核心作用。
图1a显示了1800–2020年期间冰芯中NO3⁻浓度（黑线）的变化。整体趋势虽与NOX排放变化一致，但在1920–1970年间NO₃⁻浓度上升速度低于NOX排放增长；而1990年代以后，尽管NOX排放急剧减少，但NO3⁻浓度下降却相对缓慢。这说明两者间存在明显时间滞后。
图1
(a) SE-Dome冰芯中NO3⁻浓度变化（µg L⁻¹，黑线）；
(b) 周边国家NOX排放（橙色）、冰芯NO3⁻浓度（黑线）、模型估算NO3⁻浓度（绿色）的对比。
大气中的硝酸以气态HNO₃和颗粒态NO3⁻共存，两者比例受大气酸度调控。由于这两种形态的寿命和沉降速度不同，气-粒转化比直接影响其长距离输送能力。研究进一步发现，冰芯记录与NOX排放的不一致，与代表大气酸度的“云水pH”以及“氨气比值”等参数显著相关（图2）。
图2
大气NO3⁻记录与NOX排放不一致程度（Y轴）与大气酸度指
（X轴）之间的关系。
基于GEOS-Chem模型的历史模拟实验显示，随着人类活动演变，大气酸度及其对硝酸的气-粒分配比例发生变化，进而影响硝酸在大气中的寿命及其传输效率。特别是自1970年代以来，大气中和作用增强（酸度降低），HNO3转化为NO3⁻的比例上升，使硝酸更容易以颗粒形式远距离输送，解释了NO3⁻浓度下降幅度低于NOX排放减少幅度的原因（图3）。
图3
大气酸度通过改变硝酸形态比例（气态vs 颗粒态）调控其长距离输送机制的示意图。
本研究及Shohei Hattori副教授先前成果（Hattori et al. 2021, Science Advances）共同揭示，大气酸度不仅影响硫酸与硝酸等气溶胶的生成，也决定其在大气中的行为与沉降模式，是决定大气污染物分布的关键因子。未来研究需将这些过程准确引入模型中，以提升空气质量改善策略的科学性，优化气候变化预测，并制定更高效的减排政策。
上述研究成果以题为《Acidity-driven gas-particle partitioning of nitrate regulates its transport to Arctic through the industrial era》的论文形式，于5月19日发表在国际著名综合性学术期刊《Nature Communications》上。必赢242net和国际同位素效应研究中心的Shohei Hattori副教授，与日本北海道大学的Yoshinori Iizuka教授、日本金泽大学的Sakiko Ishino教授为本论文的共同第一作者兼通讯作者。本研究受到国家自然科学基金面上项目（42473011）、中央高校基本科研业务费专项资金（2024300346）“北极格陵兰东南穹顶（SE-Dome）冰芯中气溶胶和氧化物的同位素测量的国际合作研究” 等项目资助。
参考文献
lIizuka, Y.*, Matsumoto, M., Kawakami, K., Sasage, M., Ishino, S.*, Hattori, S.*, ... & Matoba, S. Acidity-driven gas-particle partitioning of nitrate regulates its transport to Arctic through the industrial era. Nat Commun 16, 4272 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59208-0
Hattori, S.*, Iizuka, Y., Alexander, B., Ishino, S., Fujita, K., Zhai, S., ... & Yoshida, N. Isotopic evidence for acidity-driven enhancement of sulfate formation after SO2 emission control. Science Advances, 7(19), eabd4610, 2021
Wei, Z., Hattori, S.*, Tsuruta, A., Jiang, Z., Ishino, S., Fujita, K., Matoba, S., Geng, L., Lamothe, A., Uemura, R., Yoshida, N., Savarino, J., and Iizuka, Y.: A 60-year atmospheric nitrate isotope record from a Southeast Greenland ice core with minimal post-depositional alteration, Atmos. Phys. Chem. (2025), https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-3937, 2024.
图文：SHOHEI HATTORI、吴一鸣、洪一航
审核：陈天宇
