摘要：研究发现，大气新粒子形成的起始过程由一个仅取决于温度和湿度的热力学量决定，并在北京、青藏高原、芬兰泥炭地等多种环境中得到验证。

研究主要内容

大气新粒子形成（NPF）是指气态分子聚集并生长为气溶胶颗粒的过程。它几乎在对流层各类环境中都被观测到——从特大城市到偏远高山、北方森林和极地，是全球气溶胶数浓度的主要来源，也是云凝结核的重要来源，直接影响气候和空气质量。然而，经过二十多年的外场观测和实验室研究，NPF为何在特定时间、特定地点发生，仍未得到清楚的理论解释。温度的作用尤其令人困惑：不同研究分别报道了升温促进和抑制粒子形成的相反结论。

南京大学南京赫尔辛基大气与地球系统科学学院Roope Halonen助理教授提出了一套大气新粒子形成热力学理论，揭示成核的起始阶段主要由温度和湿度决定，而非化学细节。相关研究成果以《大气新粒子形成的热力学起源：稳定成核分子对理论（Thermodynamic origin of atmospheric new particle formation: theory for stable nucleating pairs）》为题，于2026年10月12日在线发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

该研究从基本热力学原理出发，指出对于大气中最重要的中性成核途径，第一步——一个酸分子与一个碱分子结合成稳定分子对——是整个过程的决定性步骤，而控制这一步的只有一个量：该分子对的有效结合自由能。它仅取决于温度和相对湿度，且二者作用方向相反。由此产生一个“过犹不及”的效应：结合太弱，分子对会重新蒸发；结合太强，大气中的前体气体又不足以供给。只有在二者之间一个狭窄的适宜区间内，成核过程才会启动。NPF事件最终能否发生，则由另外两个互补因素决定——前体气体的供给量及其向已有颗粒物的损耗，二者共同决定过程的快慢。

以硫酸–二甲胺体系为例，该理论在不引入任何可调参数的情况下，再现了实验室和外场观测的团簇浓度，包括北京、青藏高原东南部鲁朗高海拔站点以及芬兰的极清洁泥炭地。它解释了NPF为何在正午和春季最为活跃，为何在德克萨斯州近40 °C的热浪中仍能发生，以及为何在近乎原始的大气中偶尔出现于傍晚。该框架同样适用于其他成核化学体系，如海洋大气中的碘酸和高空低温下的有机物。本篇论文由Roope Halonen独立完成。

图：过犹不及——分子对结合不强不弱时，团簇形成最多。温度和湿度使大气在此轴上移动。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2620565123

论文信息：Thermodynamic origin of atmospheric new particle formation: theory for stable nucleating pairs. Roope Halonen. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (2026).