在全球变暖的大背景下，北极正在经历着更为剧烈和快速的变化，这也被称作“北极放大”现象。气溶胶具有直接和间接的双重气候效应：散射或吸收入射太阳辐射直接影响地表能量收支及气候；或者形成云凝结核或冰核进而间接影响气候，因此对“北极放大”有显著影响。在极地区域大气碘化学不仅可以显著改变当地大气氧化能力，也可通过诱导成核形成新颗粒并进一步生成云凝结核及冰核，是当前北极区域大气化学以及气候变化研究领域的热点话题。然而，当前研究对于北极海洋边界层海冰界面的大气碘释放潜力关注较少，对于大气碘的气相-颗粒相转化过程的认识不够明确，因而大大限制了对其气候效应的模型评估。基于上述问题，本研究在中国北极科学考察的航线上应用飞行时间单颗粒质谱（SPAMS）开展了在线观测（图1），获取了从楚科奇海到北大西洋的横跨北冰洋的夏季含碘气溶胶单颗粒混合状态和空间分布特征等信息，并针对含碘气溶胶的来源、时空分布特征以及转化过程进行探究。

图1 （左）雪龙号科考船航行图，（右）单颗粒质谱外观及工作示意图。

本研究发现北极圈内含碘颗粒占比值显著高于北极圈外，表明北极区域是大气碘的源区。过去的研究通常认为北极海洋边界层大气碘主要来源于海洋表层藻类释放的I2和有机碘（CH3I、CH2I2、C2H5I…），以及海洋微表层I-被O3光化学氧化为HOI以及I2。在本研究中，结合后向轨迹反演发现，来自开阔海洋的气团中含碘颗粒占比相对较低；来自海冰边缘区域以及格陵兰岛边缘区域的气团中含碘颗粒占比整体较高，且存在极高值；来自海冰覆盖区域的气团中含碘颗粒占比也相对较低（图2）。上述结果与传统认知相悖，表明在北极夏季海洋边界层，海冰边缘区域相较于开阔海洋具有更大的大气碘释放潜力，海冰覆盖区域由于缺少卤水通道以及海冰裂缝，大气碘排放受限。未来北极持续变暖的情景下，夏季海冰范围不断减少，预计北极大气碘浓度将持续上升并对当地乃至全球气候产生深远影响。

图2 （左）含碘颗粒占比纬度分布，（右）气团后向轨迹反演。

大气碘化学涉及多个光化学过程，然而在野外环境下，过去关于光照对大气碘向气溶胶相转化过程的影响缺乏明确认识。本研究发现，在光照强烈的正午时分，尽管此时大气中IO浓度理应较高，然而含碘颗粒占比值却极低，而在光照不那么强烈的时候含碘颗粒占比值总体较高，并出现极高值。这一现象印证了实验室关于IxOy光解的化学机理，即在光照强烈时，I2以及有机碘快速光解，大气中IO浓度较高，然而由于IxOy此时也开始快速光解，限制了大气碘向气溶胶相的转化。结合含碘颗粒占比的昼夜变化，本研究给出了北极海洋边界层大气碘转化情景（图3）：黎明后（正午前）由于夜间大气碘的排放和积累以及日出后快速光解，大气碘物种快速向颗粒相转化，此时能够观察到较高的含碘颗粒占比值；正午时，由于IxOy的快速光解，大气碘物种向颗粒相的转化受限，大气中活性碘（I、IO以及OIO…）大量累积，此时含碘颗粒占比值极低；正午后（日落前）随着光照强度减弱，累积的活性碘快速生成IxOy以及HIOx并进一步进入气溶胶相。

图3 北极海洋边界层大气碘排放及日间转化情景图。

上述研究应用单颗粒质谱在线观测，从全新视角揭示了北极海洋边界层大气碘的来源、时空分布特征以及气相-颗粒相转化规律，为极地大气碘化学提供了新的认识。