大气铁硫循环与海洋交互作用的新发现

R.J.Charlson等人［28］提出海洋中排放的二甲基硫（DMS），在大气中被氧化成硫酸盐，并成为云凝结核，从而可能形成一个影响全球气候的正反馈系统。此反馈系统的很重要的一步是，S（Ⅳ）异相氧化成硫酸盐，而这一步骤和Fe（Ⅲ）与OH-的络合物发生还原反应，产生OH·自由基［13，14，20］密切相关。在中途岛地区的大气中，非海盐硫酸盐气溶胶的平均浓度约为5.5 nmol·m-3［29］；而在中途岛的气溶胶中，Fe（Ⅱ）的浓度约为0.3～2.3 nmol·m-3。如果大气中一对Fe（Ⅲ）→Fe（Ⅱ）的还原转化，经由产生一个OH·自由基，把一对S（Ⅳ）→S（Ⅵ）氧化，那么在中途岛地区经由气溶胶的Fe（Ⅲ）→Fe（Ⅱ）还原转化所产生的非海盐硫酸盐气溶胶，将占其总量的大约3%～20%。M.O.Andreae等人［30］发现，海洋气溶胶的单颗粒物常常是海盐、矿物颗粒物和酸性的硫酸盐气溶胶之混合物。因此，远洋气溶胶中的Fe，可能涉及2个重要的环境过程。第一，在长距离传输过程中，转化产生相对可溶的Fe（Ⅱ），便于远洋地区海水表层浮游生物的吸收利用。如果Fe是某些大洋地区的限制营养元素，那么它将影响这些水体中DMS的生产力。第二，大气中Fe（Ⅲ）的光还原反应可能是大气中关键氧化剂即OH·自由基之重要来源，而OH·自由基对低价硫的氧化过程起重要作用。例如，可以把亚硫酸氢盐氧化成亚硫酸根自由基，进而引发其他氧化过程，生成硫酸盐［31，32］。

图5-4　气溶胶长途传输途中及大气海洋物质交换中的Fe-S耦合反馈机制

因此，在大气和海洋的海-气交换过程中，存在着与产生Fe（Ⅱ）和OH·自由基有关的2个潜在的正反馈机制。大气中的沙尘提供了Fe（Ⅲ），其在气溶胶中被还原而产生OH·自由基和Fe（Ⅱ）。更多的Fe（Ⅱ）将导致在海洋中产生更多的DMS，而DMS的增加将产生更多的SO2和酸性的硫酸盐。同时，更多的OH·自由基又会氧化还原性S，而产生更多的酸性硫酸盐。酸性的硫酸盐可导致产生更多可溶性Fe（Ⅲ）。2个反馈机制结果又带来了更多的Fe（Ⅱ）和OH·自由基。如此反复循环不已。这一反馈体系可能影响一些海洋地区的生物生产力以及气候变化。图5-4展示了气溶胶中的Fe和S从陆地上空经长距离传输，沉降于遥远大洋中，经由OH·自由基的相互耦合转化机制。

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【注释】

[1]以下用°N表示北纬多少度，用°E表示东经多少度。相应的′及″后加N或E，则是表示北纬或东经多少分及多少秒（角度）。