黑碳（Black Carbon，BC）是大气气溶胶中最重要的成分之一，它对全球气候变化产生显著的增温效应。黑碳通过吸收太阳辐射，改变云的微物理特性，降低冰雪反照率等多种途径，对地球能量平衡产生深远影响。此外，黑碳还会抑制边界层的发育，从而加剧空气污染。然而，黑碳的光吸收能力存在显著差异，这给评估其环境和气候效应带来了巨大挑战。当黑碳颗粒进入大气后，会经历复杂的“老化”过程，包括凝聚、碰撞、异质反应等，导致其形貌和光吸收能力发生显著变化。目前，科学界对黑碳光吸收能力的评估尚未达成共识，这已成为大气环境研究的前沿科学问题。

近日，重点实验室赵罡博士和北京大学胡敏教授课题组开展合作研究，成果为黑碳光学分形维度的在线测量提供了新的思路和方法。该研究团队提出了一种创新方法，通过建立黑碳迁移率直径（DM）、分形维度（Df）和质量浓度（m0）之间的关系，实现了对黑碳分形维度的在线测量。这一成果不仅提高了测量精度，还为追踪黑碳在大气老化过程中的形态演变提供了有力工具。相应研究成果于2025年2月以论“Could we achieve the on‐line measurements of the optical fractal dimensions of black carbon?”在Geophysical Research Letters上发表，链接见https://doi.org/10.1029/2024GL112332

该研究团队通过理论分析和实验验证，建立了黑碳迁移率直径（Dm）、分形维度（Df）和质量浓度（m0）之间的数学模型。基于这一模型，研究人员能够同时测量黑碳的Dm和m0，从而计算出其分形维度Df，测量精度达到0.15。这一精度水平在黑碳光学特性研究领域具有重要意义，为准确评估黑碳的光吸收能力提供了可靠依据。

图1 黑碳Dm，Df和m之间的数学关系

在实地测量中，研究团队在中国常州的一个郊区站点进行了观测。结果显示，该地区大气中黑碳的分形维度Df范围在2.14到2.41之间。这一范围的变化与黑碳团簇的老化过程一致，表明该方法能够有效追踪黑碳在大气中的形态演变。通过在线测量黑碳的分形维度，研究人员可以更准确地模拟黑碳的光学和辐射特性，从而为评估其对气候的影响提供更精确的科学依据。

图2 常州地区黑碳分形维数的演变特征。

这一研究成果具有多方面的重要意义。首先，它为黑碳光学特性的研究提供了一种新的在线测量方法，解决了长期以来困扰科学家的黑碳分形维度难以在线测量的难题。其次，通过在线测量黑碳的分形维度，研究人员可以实时监测黑碳在大气中的形态变化，从而更准确地评估其光吸收能力。这对于理解黑碳在大气老化过程中的行为以及其对气候和环境的影响具有关键作用。这一研究成果为黑碳光学特性的研究开辟了新的途径，为应对全球气候变化和改善空气质量提供了有力的科学支持。

                                                                                                                      供稿： 赵罡

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