长期以来，城市居民一直不得不与雾霾——笼罩在城市地区上空的丑陋阴霾——作斗争，这是由于制造业、修剪草坪、驾驶汽车甚至烹饪等各种产生排放的人类活动造成的。

这些排放物包括二氧化碳、氮氧化物和挥发性有机化合物(VOC)等气体，以及称为气溶胶的微小固体颗粒。在烟雾弥漫的日子里，当您向地平线望去时，您看到的雾霾主要是这些气溶胶颗粒，它们既直接排放到大气中(因此称为“初级气溶胶”)，又由于以下原因在大气中形成(“次级气溶胶”)：阳光与排放物中的化合物(例如挥发性有机化合物)的相互作用。

然而，人类活动并不是气溶胶颗粒的唯一来源。树木和其他植被也会释放挥发性有机化合物，通过阳光驱动的化学反应产生大量的二次气溶胶。例如，正是这些气溶胶造成了大烟山的蓝色烟雾。与人造气溶胶一样，这些天然气溶胶会影响空气质量，并对气候产生重大影响。

加州理工学院研究人员进行的一项新研究首次揭示了树木释放的挥发性有机化合物如何通过大气化学转化为气溶胶的关键细节。描述这项研究的论文发表在《科学》杂志上，是路易斯·E·诺尔化学工程教授约翰·宋飞(JohnSeinfeld)实验室之间的合作成果。PaulWennberg，R.StantonAvery大气化学和环境科学与工程教授;和布莱恩·斯托尔茨(BrianStoltz)，维克多和伊丽莎白·阿特金斯化学教授和传统医学研究所研究员。

“有点违反直觉的是，全球大气中的大多数气溶胶并非直接来自人类，这只是森林在陆地表面所占比例远大于城市这一事实的产物，”该书的主要作者克里斯托弗·肯塞斯(ChristopherKenseth)说。该论文和前加州理工学院化学研究生、现任华盛顿大学国家科学基金会(NSF)博士后研究员。“植物和树木排放的挥发性有机化合物产生了全球大气气溶胶的很大一部分，并在气候系统中发挥着关键作用。”

肯塞斯说，气溶胶以两种方式影响气候：首先，它们会阻挡入射的阳光，阻止其到达地球表面(就像它们可能会在洛杉矶雾霾天阻挡你看山的视野一样)。其次，它们充当云形成的种子，云也将阳光反射回太空。事实上，如果没有气溶胶颗粒，大气中的云就会少得多。

植物和树木会释放出无数的化合物，这些化合物会形成二次气溶胶，但在这项研究中，研究人员特别关注了两种称为α-蒎烯和β-蒎烯的化合物，它们是从针叶树中释放出来的，赋予树木特有的松树气味。这些蒎烯构成了森林地区释放的挥发性有机化合物的主要部分，因此是大部分气溶胶形成的原因。

全球大气气溶胶形成的重要性几十年前就已为人所知，所谓的“蒎烯系统”的研究也已超过40年。在过去的二十年中，多项分析表明二聚体(由两个较小的相似分子通过化学键连接在一起组成的化合物)是蒎烯衍生气溶胶的主要成分。

然而，由于蒎烯形成气溶胶的氧化化学极其复杂，大气化学家此前对这些二聚体的身份以及它们的形成方式仅做出了有根据的猜测。

在当前的研究中，Kenseth依靠Seinfeld、Wennberg和Stoltz实验室的资源，结合实验室实验和有机合成，揭示了蒎烯衍生气溶胶中鉴定的二聚体的结构和形成机制。

“鉴于蒎烯二聚体的重要性已得到公认，令人惊讶的是，其形成机制长期以来一直不透明，”温伯格说。“这确实是对合成假定化合物并研究其行为的能力的致敬，从而使这门科学成为可能。”

Kenseth在加州理工学院环境室中产生了蒎烯衍生气溶胶，这是一个大型(24,000升)聚四氟乙烯袋，可以模拟真实大气，但可以严格控制温度和湿度等条件。通过在过滤器上收集气溶胶并使用质谱分析其分子组成，肯塞思能够提出气溶胶样品中鉴定的主要二聚体的结构。

然后肯塞思与斯托尔茨实验室的研究人员合作合成了所提出的化合物，然后再次使用质谱法确定合成的二聚体的结构与气溶胶中鉴定的二聚体的结构相匹配。

“这是我们感到兴奋的事情，”斯托尔茨说。“我们通常研究的事情非常复杂。相比之下，这些气溶胶化合物是非常小的分子，但有其自身的复杂性。”

在明确确认二聚体的结构后，肯塞思在加州理工学院的实验室中进行了额外的实验，以破译它们形成的详细化学机制。重要的是，实验表明，连接二聚体两半的键是在气溶胶颗粒中形成的，而不是当氧化产物以气体形式存在时。

“这解决了气溶胶化学中长期存在的难题，”肯塞斯说。“几十年来我们就知道这些二聚体是气溶胶产生的重要驱动因素，但只有通过合成真实的标准，我们才能具体确定它们的结构，然后设计实验来揭示它们的形成机制。”

这一发现对于像宋飞和温伯格这样的大气化学家来说非常重要，因为它填补了该领域对大气气溶胶的成分和形成化学的理解的一个关键空白，而这些知识对于准确评估其环境和健康影响至关重要。

“了解它们的形成方式使我们能够了解哪些其他化合物也可能产生此类气溶胶。如果没有一种机制，我们将需要搜索整个VOC目录，这基本上是不可能的，”Wennberg说。

宋飞补充道：“表征气溶胶形成化学的分子水平细节可以说是大气化学中最具挑战性的研究领域。这项研究不仅在所采用的方法方面具有里程碑意义，而且因为它代表了该领域的罕见案例。现在，重要的复杂化学反应的所有方面都已得到很好的理解。”

共同作者是NicholasHafeman博士，曾就职于加州理工学院，现就职于艾伯维公司(AbbVieInc.);SamirRezgui，加州理工学院化学研究生;JingChen，哥本哈根大学;黄元龙，博士，东方高等研究院;NathanDalleska，加州理工学院雷斯尼克水与环境实验室主任;哥本哈根大学的HenrikKjaergaard;以及宋飞(Seinfeld)、温伯格(Wenberg)和斯托尔兹(Stoltz)。

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