彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素及水溶性離子之化學特性研究

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國立台灣大學理學院海洋研究所碩士論文 Institute of Oceanography

College of Science National Taiwan University

Master Thesis

彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素及水溶性離子之化學特性研究

Chemical Characteristics of Trace Elements and Water-Soluble Ions in Marine Aerosols over Pengchiayu Island

曾幀琳 Cheng-Lin Tseng

指導教授:林斐然博士 Advisor: Fei-Jan Lin, Ph.D.

中華民國九十七年七月

July , 2007      

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致謝

本研究能夠順利完成，首先要感謝恩師林斐然教授的悉心指導，除了課業之外，也給予生活上的關心以及幫助，在此對老師致上最誠摯的感謝。

除此之外，更感謝本所鄭偉力教授以及海洋大學陳宏瑜教授及洪慶章教授於論文考試期間給予指正與意見

還要感謝的，是實驗室黃致中學長及中央氣象局彭佳嶼氣象站工作人員協助標本的採集，劉建麟學長給予實驗上的指導，中央研究院環境變遷研究中心提供分析儀器(ICP-MS)及黃譯樘學長給予儀器分析上的幫忙；感謝神秘地下室空間所有的同伴，吳娜、屈、智睿、以瑛、建禕給予的照顧以及鼓勵。

特別感謝我的朋友們在這段期間內給我的幫助以及鼓勵，謝謝台大地質系的朋友，美妃、大頭、小黑、育瑄、IJ、烏茲。謝謝林盧盧、阿寄、三三、阿珍、

金姐、PAT、阿寶、貓貓、TEN、阿比，因為有你們，讓我在心情低落的時候能很快振作。

非常重要的，要感謝我的家人，我父母，面對一個一直很自我很任性的女兒，

能給我很大的包容，期許我自己以後可以讓你們稍微感到安慰與驕傲。謝謝我的姐姐和妹妹在我生活上的幫忙，我的哥哥，雖然很少連絡，但從不吝嗇給我必要的支援，使我能夠堅持到最後完成學業。

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摘要

本研究共分析 365 個採自彭佳嶼海域的大氣懸浮微粒標本，標本收集的時間為 2004 年 12 月至 2006 年 2 月，這些標本均以離子層析儀分析其中所含的水溶性離子，此包括 Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、NH4+

、Cl^-、NO3-

及 SO42-

等離子，另以感應耦合電漿質譜儀分析 2005 年春季標本中的金屬元素，此包括 Al、Fe、Na、Mg、K、Ca、

Sr、Ba、Ti、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 及 Cr 等元素。

彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子的濃度分布呈現明顯的季節變化，以冬季和春季濃度較高，夏季濃度最低。與其他地區之大氣懸浮微粒水溶性離子濃度比較，彭佳嶼海域大氣中的地殼源以及污染源物質之比例較高，此主要是由中國大陸輸出的陸源物質所貢獻。大氣中Cl^-/ Na⁺濃度之比值比海水的比值低，顯示彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中出現Cl虧損的現象。NH⁴⁺∕nss- SO⁴^2-莫耳濃度之比值計算結果顯示彭佳嶼海域大氣懸浮微粒的硫酸鹽主要是以NH⁴HSO⁴形式呈現。風向族群分析的結果顯示彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子以北風族群的濃度較大，大約是南風族群的1.1倍到1.6倍。比較1996年及2005年的濃度數據可發現2005 年彭佳嶼大氣懸浮微粒中NO³^-及nss-SO⁴^2-的濃度比1996年高出一倍多。

本研究在在2005年春季一共偵測到三次沙塵暴事件，其中最大的一次是發生在2005年4月10日到15日之間，在此期間彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中幾乎所有的元素均出現明顯的高值，特別是地殼元素。氣流軌跡回推圖顯示此沙塵暴物質是源自中國北方之內外蒙古一帶，經由長程傳輸至彭佳嶼海域，沙塵暴入侵時，大氣中Fe/Al的比值會下降至0.5左右，在此同時大氣中地殼來源的Na(Na^crust)濃度也會明顯增加，相對的會稀釋大氣中海水來源的Na(Nasea) 所佔的比例。主成分分析結果顯示在沙塵暴季節，彭佳嶼海域大氣化學組成之變化受陸源物質的影響最大，

特別是地殼物質，污染物質的影響次之，海水物質的影響相對的比較小。其中污染物質又可區分為高溫污染成分如Ni、Cu和Cr及低溫污染成份K⁺、NH⁴⁺、nss-SO⁴^2-、 NO³^-、Cd及Pb，其在大氣中散佈的情形不盡相同，其中又以低溫污染成分的影響較大。

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Abstract

Three hundred and sixty five aerosol samples were collected at Pengchiayu Island from December 2004 to February 2006. All of the samples were analyzed for water-soluble ions Na⁺, Mg⁺², K⁺, Ca²⁺, NH4+

, Cl^-, NO3-

and SO42-

, using ion chromatography. Samples collected from March to May of 2005 were also analyzed for trace elements Al, Fe, Na, Mg, K, Ca, Sr, Ba, Ti, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb and Cr, using inductively coupled plasma mass spectrometry.

The concentrations of water-soluble ions in aerosols collected at Pengchiayu island displayed strong seasonal variations with higher concentrations in winter and spring, and lower concentrations in summer. The aerosols at Pengchiayu Island contain high proportions of crustal and anthropogenic materials as compared with other areas, which are mainly exported from mainland China. The Cl^-/Na⁺ ratios in aerosols are lower than that of sea water suggesting that there are chloride depletions in Pengchiayu aerosols.

The calculations of molar ratios of NH4+

/nss-SO42-

reveal that the compound of sulfate in aerosols is mainly in the form of NH₄HSO₄. Wind populations analysis shows that the concentrations of water-soluble ions in north wind population are 1.1 to 1.6 times higher than that of south wind population. It can be found that the atmospheric concentrations of NO3-

and nss-SO42-

at pengchiayu Islandin 2005 are higher nearly double than that of in 1996.

Three dust storm episodes have been identified in this study during the springtime of 2005. Among them the most heavily dust storm occurred in April 10 to 15, and the very high concentrations for most of elements are observed in this dust storm samples, especially for crustal elements. Airmass backward trajectories analysis suggests that the source materials of dust storm are from Mongolia in north China, which is transported

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concentration ratios of Fe/Al in aerosols generally fall down to about 0.5, in the meantime, the concentrations of crustal derived Na will be increased significantly, and he proportions of seawater derived Na will be reduced relatively. Principal component analysis (PCA) shows that during the dust storm season the variability of chemical composition of aerosols at Pengchiayu Island is greatly influenced by the supply of land source materials including crustal and anthropogenic materials, and the impact of seawater derived materials is relatively small. Based on PCA study, the anthropogenic sources can be further classified into two groups: high temperature burning type components Ni, Cu and Cr, and low temperature burning type components K⁺, NH4+

, nss-SO₄^2-, NO₃^-, Cd and Pb.

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最大值及最小值(2004年12月至2006年2月) ... 13 表 3.2、彭佳嶼海域與其他地區大氣懸浮微粒中主要陰陽離子平均濃度之比較 ... 14 表 3.3、彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中主要離子間之相關係數 ... 23 表 3.4、澎佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子

在南北風向族群中之濃度及比值 ... 28 表 3.5、1996 年(吳，1997)及 2005 年( 本研究)彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中

NO3-

及nss-SO42-

濃度之比較 ... 28 表 3.6、2005 年沙塵暴季節彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中

金屬元素之平均濃度及濃度範圍 ... 30

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一、前言

1-1 研究背景

大氣懸浮微粒是經由人為作用及自然因素作用等而形成的，依照其粒徑大小可分為粗顆粒的懸浮微粒( 粒徑 > 2.5 μm)與細顆粒的懸浮微粒 ( 粒徑< 2.5 μm)，圖1.1是大氣懸浮微粒之粒徑分布圖(Whitby and Cantrell, 1976)，大氣懸浮微粒表面粒徑分布主要呈現三個峰值，一般是以2.5μm為界，分為粗顆粒及細顆粒，其中細顆粒又可細分為凝結核型 (Transient nuclei) 以及累積型 (accumulation range)。粗細顆粒的大氣懸浮微粒其化學特性會有差異，形成機制也不同；粗顆粒的大氣懸浮微粒主要是以直接排放或者自然來源為主，例如風吹揚起的沙塵、海水浪花濺起的海鹽顆粒(Erickson et al., 1986)、火山爆發所產生的火山灰、生物產生的有機顆粒、生質燃燒及工業或者交通運輸排放的粗顆粒污染物質等(Chester et al., 1999； Chester, 2000)，粗顆粒主要是因重力作用而自大氣中移除並沈積至地面(Seinfeld and Pandis, 1998)。細顆粒的大氣懸浮微粒主要是工業排放經高溫燃燒所產生的汙染物質以及經由大氣光化反應形成的，凝結核型顆粒主要是燃燒作用產生的氣體排到到大氣中經過急速冷卻之後凝結而成，累積型顆粒主要由凝結核型顆粒經過凝絮作用而形成的，或是工業活動所直接排放之細顆粒懸浮微粒，細顆粒主要依靠雨水沖刷而自大氣中移除並沈積到地表(Seinfeld and Pandis. 1998)。

在整個大氣結構中，大氣懸浮微粒扮演成雲結霧重要的角色，雲霧作用也會影響大氣懸浮微粒的生成，傳輸與移除；大氣懸浮微粒的分布不僅會影響雲的結構，也會影響地球的輻射量，進而影響氣候(Huebert et al., 1996；Charlson et al. 1992；)。一般而言，大氣懸浮微粒在大氣中停留的時間大約是一到兩個星期，

此與大氣懸浮微粒的粒徑大小有關。

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圖1.1 大氣懸浮微粒粒徑分布圖 (Whitby and Cantrell, 1976)

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大氣懸浮微粒之成分依其來源物質與來源區之不同而有不同的化學特性，一般而言，大氣懸浮微粒的主要成分包括水溶性離子以及金屬元素。主要水溶性離子包括：Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、NH⁴⁺、Cl^-、NO³^-及SO⁴^2-等，其中又以Na⁺ 、Cl^-、NH⁴⁺、 NO³^-及SO⁴^2-的含量較高，圖1.2所示為大氣懸浮微粒中Na⁺、Cl^-、NH⁴⁺、NO³^-及SO⁴^2-的粒徑分布圖(Wall et al. 1988)，圖中顯示Na⁺、Cl^-是海水來源的成分，因此兩者皆以粗顆粒為主，NH⁴⁺及SO⁴^2-主要分布在細顆粒中，SO⁴^2-主要是由大氣中SO^２氣體氧化成H²SO⁴，其中的SO⁴^2-會與NH⁴⁺發生反應，並且以(NH⁴)^２SO⁴或NH⁴HSO⁴為主要形式存在(Walker et al., 2004)；NO³^-在粗細顆粒都有分布，主要是因為NO³^-在都會地區可經由車輛直接排放產生，以粗顆粒為主(Yao et al. 2002)，細顆粒的NO³^-會與 NH4+

發生反應，而粗顆粒的NO3-

則會與NH4+

及Na⁺發生反應(Wall et al. 1988)。

經由各種方式傳播到大氣中的懸浮微粒，會隨著大氣環流的運行而傳輸至世界各地(Henning et al., 2003)。大氣傳輸的物質是海洋中物質的主要來源之一，

也是海水懸浮物以及海洋沈積物的重要來源，大氣傳輸至海洋的物質，在北半球顯著大於南半球(Duce et al., 1991)，大氣中的沙塵是懸浮微粒的主要成份，這些沙塵主要是來自乾燥以及半乾燥氣候區 (Duce, 1995)，當地表風速大於5m/s的時候，這些沙塵就被帶到大氣中(Gillette, 1978)，前人也有許多關於沙塵長程傳輸的研究，包括北太平洋(Prospero et al., 1985)、地中海(Chester et al., 1984) 、北大西洋(Arimoto et al. 1995；Duce et al. 1980) 及北赤道大西洋 (Ozloy et al., 2001)。亞洲以及非洲撒哈拉沙漠被認為是全球沙塵的主要來源區(Zhang et al., 1993)。

撒哈拉沙漠的沙塵可以經由長程傳輸橫越北赤道大西洋到加勒比海以及亞馬遜盆地，甚至可橫越地中海到達歐洲(Chester et al., 1984)。亞洲的沙塵也可以經由長程傳輸自中國大陸向日本(Uematsu et al., 2002；Uno et al., 2001)、

韓國(Chen et al., 1997；Choi et al., 2001；Carmichael et al., 1996)傳輸，

甚至跨越太平洋傳輸至美國西岸(Husar et al. 2001)

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圖1.2 大氣懸浮微粒主要離子之粒徑分佈 (Wall et al. 1988)

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亞洲沙塵主要是來自於中國大陸內陸的沙漠區，以中國西北，華北和蒙古一帶的八大沙漠為主，八大沙漠包括塔克拉瑪干沙漠(Taklamakan Desert，位於新疆塔里木盆地，面積約3.4×10⁵Km²)、古爾班通古特沙漠(Gurbantunggut Desert，

位於新疆準噶爾盆地，面積約4.8×10⁴Km²)、巴丹吉林沙漠(Badain Jaran Desert，

位於內蒙古西部，面積約4.4310⁴×Km²)、騰格里沙漠(Tengger Desert，位於內蒙古，面積約4.27×Km²)、柴達木盆地沙漠(Tsaidam Basin Desert，位於青海省西北部，面積約3.49×Km²)、庫姆塔格沙漠(Kumhotage Desert，位於甘肅省敦煌市西邊，面積約1.95×Km²) 、庫布齊沙漠(Kubuchi Desert，位於內蒙古，面積約1.86

×Km²)、烏蘭布和沙漠(Ulan Buh Desert，位於內蒙古，面積約1.15×Km²)；在冬季以及春季，由於受到大陸內蒙古冷高壓以及冷鋒系統的影響，來自中國大陸內陸沙漠區的沙塵隨著氣流傳輸到各地，四月是亞洲沙塵暴發生最頻繁的時節 (Merrill al., 1989)，中緯度地區是受到亞洲沙塵暴影響最強烈的地區，包括台灣(Chang et al., 2006；Liu et al., 2006； Fang et al., 2005)、日本(Zhou et al., 1996； Okuda et al., 2006； Watanabe et al., 2006)、韓國(Lee et al., 2006；Kim et al., 2003；Arimoto et al. 2004)以及美國西岸((Jaffe et al., 1999；Jaffe et al., 2005)都能接收到亞洲沙塵暴所帶來的陸源物質，亞洲沙塵暴的組成除了地殼物質外，在傳輸過程中也會經過污染地區會將污染物質一併帶走並傳輸至各地(Arimoto et al., 1996； Kai et al., 2007)，進而影響各地的大氣組成(Liu et al., 2002)。

沙塵暴會帶來大量的懸浮微粒，也包括污染源的大氣懸浮微粒，其中SO⁴^2-、NO³^- 及NH⁴⁺對於地球的氣候、環境以及大氣組成有重要的影響， SO⁴^2-會藉由反射作用干擾大氣的輻射平衡，也是雲凝結核的主要來源(Adams et al., 1999； Wu et al., 2006)。大部分大氣中的硫化物是以SO²的形式經由石化燃燒以及生質燃燒排放至大氣中氧化形成 SO⁴^2-，只有少部份是以SO⁴^2-的形式直接排放；火山活動排放的SO²以及海洋生物產生的DMS則是大氣中硫化物的重要自然來源； SO⁴^2-在大氣中大約4-6 天之後就沈降至地表或海洋(Adams et al., 1999； Huebert et al., 1996)。 NH⁴⁺ 在大氣懸浮微粒中扮演重要的中和角色，與SO42-

及NO3-

發生中和反應，是決定雲凝結核與降雨之pH值最重要的角色，影響大氣中許多化學反應的速率，大氣中NH⁴⁺主

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源的四倍之多， (Bouwman t al., 1997) NH4+

在大氣中的停留時間是4-6天(Adams et al., 1999)。大氣中的 NO3-

是NOx氧化的產物，NOx主要是經由燃燒石化燃料、

土壤的釋放、生質燃燒以及光化反應產生(Adams et al., 1999； Logan, J.

A.,1983)。從大氣沈降至海洋的懸浮微粒對於海洋的生產力以及生態系統有一定的影響，SO⁴^2-與NO³^-會影響海水的pH值(Lestari et al., 2003)而NH⁴⁺和NO³^-自大氣輸入到海洋，對於海水營養鹽的貢獻很大(Nakamura et al, 2005； Chen and Chen, 2008)。

1-2 研究目的

本研究之主要目的在分析大氣懸浮微粒中水溶性離子濃度以及沙塵暴季節之金屬元素的濃度，以了解這些成份在大氣中的時序變化，並且鑑別這些成份的來源，最終目的是要了解彭佳嶼海域的大氣懸浮微粒的化學特性及受污染的情況。

二、研究方法

2-1 標本採集

本研究分析的標本是採自彭佳嶼島上的大氣懸浮微粒標本。圖2.1是引用自中央氣象局網站的彭佳嶼氣象站的地理位置圖，彭佳嶼經緯度是北緯25°37'46”、

東經122°04'17"，面積約114公頃，是一座海底火山噴發所形成的島嶼，位於中國大陸與台灣之間的東海海域，距離基隆港約50公里，島上的氣候與台灣本島相似，

全年平均溫度22℃，相對溼度79%，海拔高度199公尺，可以忠實反映季風特性，

降雨集中在五月的梅雨季節以及七月到九月的颱風季節，因為地理位置的關係，

周圍有中國大陸、韓國、日本以及台灣等工業高度發展的國家，除此之外，受到季風影響，彭佳嶼可接收到東北季風帶來的大陸地區陸源物質以及西南季風帶來的海鹽及台灣島的陸源物質，本研究分析在彭佳嶼所收集的大氣懸浮微粒，可以了解在不同季節，不同來源的大氣懸浮微粒組成的化學特性以及其傳輸過程，並了解此區域之大氣受到中國大陸、台灣、日本及韓國等國經濟發展造成的污染情

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形。採樣站設立於彭佳嶼氣象站的樓頂，距離地面約八公尺，距離海平面高度約 102公尺，周圍無其他阻擋氣流流通之建築物，島上少有住民也無其他污染來源，

因此在島上採集的標本可視為在海面上採集的標本，所收集的標本可代表東海海域之大氣懸浮微粒。

使用的標本採集儀器是高流量空氣採樣器以濾紙過濾方式收集總懸浮微粒 (total suspended particles，TSP)，採樣儀器是由美國通用金屬公司(General Metal Works Inc.)所生產的GBM-2000H型抽氣馬達，流速為1.1m³min^-1，GFH-2100 型不鏽鋼網架及G105型的連續流量記錄器所組成。流量校正採用G-25型流量校正器，濾紙採用Whatman 41型(20x25cm)醋酸纖維濾紙。

本研究的標本採集時間從2004年12月1日開始至2006年2月28日止，每24小時採集一個標本，單一標本之平均流量為1745m³，扣除因為颱風以及其他因素造成標本收集失敗，總計有365個收集成功的大氣懸浮微粒標本。標本採集之後將濾紙對折放入PE夾鏈袋中保存，再帶回實驗室進行化學處理分析。

2-2 標本之一般性處理

標本帶回實驗室保存在乾燥箱中待處理，處理時手戴拋棄式塑膠手套，將濾紙取出，在氣流罩桌(class-100 laminar flow bench)中將標本依照採樣時間進行編號，例如2004年12月1日的標本編號為PCY041201。接著將濾紙四周圍未收集到標本的空白部份以陶瓷剪刀剪下，為了之後實驗進行的方便，將濾紙分成四等分，接著放回原來的夾鏈袋保存，待之後標本處理。為了避免污染，每處理一個標本就換一雙手套。

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圖2.1、彭佳嶼海域大氣標本採樣位置圖

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2-3 標本之萃取處理

在進行萃取實驗之前，先準備好足夠數量的50 ml離心管，將離心管浸泡蒸餾水一天之後取出，置於氣流罩桌中風乾。接著取出四分之一張的濾紙對折兩次之後放入離心管中，加入30ml超純水，旋緊試管蓋子，用力搖晃數次，接著將離心管放置於試管架上，以水槽式超音波震盪器震盪1小時之後取出，將離心管中的萃取液以0.45μm的nuclepore濾紙過濾，過濾後的萃取液倒入新的標本瓶中，接著取0.5ml萃取液稀釋成50ml，然後用DIONEX公司製造的DX-120離子層析儀測定標本的主要陰陽離子之濃度，測定的陰陽離子包括 Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、NH⁴⁺、Cl^-、NO³^-、 SO⁴^2-等。

2-4 標本之全消化處理

在進行全消化實驗之前，先準備足夠數量的鐵氟龍燒杯，將燒杯浸泡清潔劑清洗，並以蒸餾水清洗數次，接著加入2 ml HNO³(Merck GR級 65%) 置於加熱板上以150℃加熱一小時進行酸洗，以確認無殘留物質存在，再以超純水清洗三次之後備用。全消化實驗步驟如下:

1. 將1 / 4張濾紙標本對折至適當大小，置入先前酸洗過的鐵氟龍燒杯，杯蓋上註明標本編號。

2. 將10 ml HNO³(Merck GR級 65%)加入燒杯內並置於加熱板上，以90~100℃加熱 8 -10小時。此時注意勿蒸乾。

3. 將5 ml HF(Merck suprapure 40%)加入燒杯內，持續加熱溶解其中的鋁矽酸鹽礦物。

4. 將0.5 ml HClO⁴(Merck suprapure 70%)加入燒杯內，溶解其中的碳灰，並持續加熱至溶液澄清，最後蒸乾成白餅狀。

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完全溶解，若未溶解完全，則重複步驟2-4至標本完全溶解為止。

6. 將50 ml超純水加入燒杯內，並持續加熱至溶液減少為10 ml左右。

7. 將燒杯取下放置冷卻之後，將溶液倒入25 ml定量瓶，將所有標本定量至25 ml。

8. 取步驟7的溶液稀釋1000倍，供ICP-MS測定其金屬濃度。

2-5 儀器分析

本研究以DIONEX公司製造的DX - 120離子層析儀分析經由萃取得到的標本稀釋溶液，測定其中的Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、NH⁴⁺、Cl^-、NO³^-、SO⁴^2-等主要陰陽離子。 DX – 120離子層析儀包括一組分離管柱(separation column) 、一組保護管柱(guard column)及一組抑制器(self-regenerating suppressed conductivity)，在陽離子測定方面，流洗液是20 mM MSA(Methane sulfonic acid)，流速設定為1.0 ml / min 。在陰離子測定方面，流洗液是2.7mM Na²CO³及0.3mM NaHCO³，流速設定為1.1 ml / min。

另一方面，本研究經由消化實驗得到的標本溶液，以中研院環境變遷研究中心的感應耦合電漿質譜儀(Inductively coupled plasma-mass spectrometry，

ICP-MS)分析其中主要及微量元素的濃度，分析的元素包括Al、Fe、Na、Mg、K、

Sr、Ba、Ti、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb及Cr。元素的定量是以Merck公司生產之各種元素標準溶液配製而成的標準液來繪製檢量線。各元素的濃度校正是以美國國家標準技術局(NIST)之大氣懸浮微粒參考樣品SRM-1648及沈積物參考樣品 BCSS-1為標準，各標準品之分析結果列於表2.1。

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表2.1、NIST參考樣本SRM-1648及BCSS-1之分析結果

Element Certified This Work Recovery% Precision%

SRM-1648(%)

Al

3.42±0.11% 3.33±0.041% 97 1.2

Fe

3.91±0.10% 4.06±0.031% 104 0.8

Na

0.425±0.002% 0.45±0.345% 106 7.7

Mg

*0.8% 0.8±0.007% 100 0.9

K

1.05±0.01% 0.97±0.017% 92 1.8

Ti

*0.4% 0.38±0.003% 95 0.8

Zn

0.476±0.014% 0.51±0.008% 108 1.6

Pb

0.655±0.008% 0.66±0.007% 100 1.1

SRM-1648(ppm)

Ba

737*ppm 752±5.21ppm 102 0.7

Mn

786±17ppm 841±6.00ppm 107 0.7

Ni

82±3ppm 80±2.36ppm 98 2.9

Cu

609±27ppm 603±28.84ppm 99 4.8

Co

*18ppm 18±0.759ppm 100 4.2

Cd

75±7ppm 74±2.728ppm 98 3.7

BCSS-1

Sr

96ppm 97±1.358ppm 101 1.4

Cr

123±14ppm 105±3.255ppm 85 3.1

*: Non-certified value

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三、結果與討論

3-1 彭佳嶼海域大氣懸浮微粒之水溶性離子

3-1-1 彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子之分析結果

本研究一共分析365個大氣懸浮微粒標本之主要水溶性離子濃度，此包括Na⁺、 Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺、NH4+

、Cl^-、NO3-

及SO42-

等離子，分析結果如附錄一。本研究所採的標本是跨越三個年份從2004年12月1日到2006年2月28日止，在結果與討論中除了計算所有標本中各離子濃度的總平均值外(如表3.1)，另外也單獨計算2005年1月1日到 12月31日的所採標本之濃度平均值，得到2005年全年的平均濃度。

硫酸根離子除了海水來源外，還包括污染源以及生物源，其中生物源是以海洋生物排放的DMS(dimethyl sulfide，二甲基硫)經氧化而產生的，因此本研究進一步利用海水中Na⁺與 SO⁴^2-的濃度比值求出海水來源的 SO⁴^2-濃度(以ss-SO⁴^2-代表)，再將分析得到的總SO⁴^2-濃度減去 ss-SO⁴^2-得到非海水來源的nss-SO⁴^2-濃度。

下面的結果討論是以nss-SO⁴^2-為主。此外，本研究也以同樣的方法求出非海水來源的Ca²⁺，Mg²⁺，K⁺濃度，分別以nss-Ca²⁺，nss-Mg²⁺，nss-K⁺表示。

表3.1所示為所有標本之各離子的濃度總平均值計算結果，所有離子之濃度平均值 (μg/m³) 由高至低排列為: SO⁴^2->Cl^->Na⁺>NO³^->NH⁴⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>K⁺。濃度最高的 SO⁴^2-其濃度是濃度最低的K⁺之28倍。此外，本研究也以2005年1月1日到2005年12月 31日的標本濃度計算2005年各離子之年平均濃度，目的在於觀察彭佳嶼海域大氣懸浮微粒之年變化，計算結果顯示2005年各離子之年平均濃度之高低順序與全部標本之平均值相同，但各離子之2005年平均濃度都比全部標本之平均濃度高。

從各離子濃度之最大值與最小值之比值看到 Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、nss-SO⁴^2-、NO³^- 的濃度是全年變化較小的離子，濃度變化範圍在兩個數量級之內，顯示 Na⁺、Mg²⁺、 Ca²⁺、nss-SO⁴^2-、NO³^-的濃度分布相較其他離子而言是變化幅度較小的；而 NH⁴⁺ 、 K⁺ 、Cl^-的濃度變化則比較大， NH⁴⁺的最大濃度甚至是最小濃度的1222倍之多，顯示這些離子的濃度分布之變化幅度比較大。造成濃度分布變化的因素有很多，包

(22)

括不同的物質來源，不同的來源區，而來源物質供應的強度以及傳輸途徑，季風變化及其他氣象因子等都會影響 (Gao et al., 1992a; 林，1993) 。表3.2是彭佳嶼海域與其他地區之大氣懸浮微粒水溶性離子平均濃度之比較，可以清楚的看出本研究區的懸浮微粒，其Na⁺、Mg²⁺、Cl^-濃度都比其他地區的濃度高，只有低於香港地區(Cheng ett al. 2000)，顯示彭佳嶼由於是離島的緣故，其大氣組成中，

海水來源的成分比其他非島嶼的地區高；而其他離子之濃度都比中國大陸的廣州、上海(Gao et al. 1996)等工業都會城市低，但是比韓國的Cheju(Kim et al.

2002)高，顯示彭佳嶼海域因為東北季風的關係，可以接收到從中國大陸帶來的陸源物質，包括SO⁴^2-、NH⁴⁺、K⁺、Ca²⁺及NO³^-，因此污染性離子濃度低於中國大陸的都會區但是比其他地方高。

表3.1、彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中主要陰陽離子之平均濃度、標準差、

最大值及最小值(2004年12月至2006年2月)

Mean conc. S. D. Max. Min. Max./Min.

Na

⁺ 6.00 4.15 39.0 0.42 93

Mg

²⁺ 1.00 0.58 4.63 0.09 51

K

⁺ 0.39 0.36 3.73 0.03 124

Ca

²⁺ 1.86 1.87 16.05 0.21 76

NH

4+ 1.96 1.97 12.22 0.01 1222

Cl

^- 8.59 7.97 80.77 0.15 538

NO

3- 5.21 3.72 20.52 0.38 54

SO

42 11.16 7.08 41.14 1.31 31

nss - SO

42 9.65 6.99 40.70 0.42 97

n=365 Unit: μg/m

³

(23)

表3.2、彭佳嶼海域與其他地區大氣懸浮微粒中主要陰陽離子平均濃度之比較

Unit: μg/m

³

地點區域型態採樣時間

Na

⁺

Mg

²⁺

K+ Ca

²⁺

NH

4+

Cl

^-

NO

3-

SO

42-

Reference

彭佳嶼，台灣島嶼 2004/12-2006/2 6 1 0.39 1.86 1.96 8.59 5.21 11.16 本研究

台中，台灣都會區 1998-2001 2.79 0.82 0.81 1.83 5.82 3.73 6 12.6 Fang et al. 2002 香港沿岸區 1995-1996 11.13 1.38 0.78 0.91 1.39 16.8 4.21 10.77 Cheng et al. 2000 廈門沿岸區 1993 0.87 0.5 0.66 8.11 1.34 1.78 3.87 18.19 Gao et al. 1996 廣州都會區 1993 1.65 0.58 2.47 6.71 8.49 5.13 9.59 43.68 Gao et al. 1996 上海都會區 2003-2005 1.9 0.67 1.13 6.98 5.68 8.06 14.19 17.83 Wang et al.

2006(b) Cheju，韓國都會區 1997-1998 1.4 0.03 0.17 0.11 0.76 2.09 1.97 3.41 Kim et al. 2002

(24)

3-1-2 彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子濃度之時序變化

圖3.1及圖3.2分別為2004年12月至2006年2月彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子的時序日變化以及月變化，本研究將12月-1月視為冬季、3月-5月為春季、6月-8月為夏季、9月-11月為秋季，從各離子的月變化圖發現Na⁺的濃度全年變化不大， 7~8 月的濃度最低 (3.8-3.9μg/m³) ，最高月平均濃度出現在 10 月 (9.86μg/m³)；Cl^-和Mg²⁺的濃度變化趨勢大致與Na⁺相同，7-8月的月平均濃度最低，

10月平均濃度最高； Na⁺、Cl^-、Mg²⁺的濃度時序變化趨勢一致，在秋季濃度最高，

冬季和春季次之，夏季最低。K⁺的濃度在7月的月平均濃度最低(0.1μg/m³)，最高月平均濃度是2006年1月份(0.7μg/m³)，冬季和春季濃度比較高，夏季則明顯偏低。 Ca²⁺的月平均濃度在 6 ~8 月的時候最低 (0.5μg/m³) ， 3 月的時候最高 (2.87μm/m³)； NH4+

的月平均濃度最低是2005年8月(0.98μg/m³)，最高月平均濃度出現在2005年11月(3.32μm/m³)，NO³^-的月平均濃度最低與NH⁴⁺同樣是2005年8月 (3μg/m³)，最高月平均是2005年3月(9.13μg/m³)。Ca²⁺、NO³^-及NH⁴⁺的濃度春季最高，秋冬次之，夏季最低。nss-SO⁴^2-濃度變化幅度不大，最低月平均濃度是2005 年8月(6.67μg/m³)，最高月平均濃度是2005年11月(14.71μm/m³)，春季和秋季較冬季稍微高些，而夏季較低， SO⁴^2-的來源除了直接排放之外，還有二次轉換生成，

夏季濃度仍然維持高值是因為太陽輻射較強，光化作用較強烈所致。

濃度時序變化的結果顯示大部分的水溶性離子在春季以及冬季濃度都比較高，

夏季最低，主要是受到季風的影響，夏季來自大洋的西南氣流或東南方氣流比較乾淨，大氣懸浮微粒濃度較低，冬季以及春季來自中國大陸的北方氣流，帶來許多的陸源物質，包括污染物質，因此大氣懸浮微粒的濃度比較高(Wang et al., 2006a)。

(25)

圖3.1 大氣懸浮微粒中水溶性離子之時序變化

(26)

圖3.1 續

(27)

圖3.1 續

(28)

圖3.1 續

(29)

圖 3.2、大氣懸浮微粒中水溶性離子之月平均濃度變化

(30)

圖3.2、續

(31)

3-1-3 彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中各水溶性離子濃度之相關性

計算各離子濃度之間的相關係數值，可以初步了解各成分離子間的關係，相關係數值越高，代表這些成份可能有相似的來源，相同的化學性質或是相同的傳輸機制。表 3.3 是本研究所有標本之主要離子濃度的相關係數值；從此結果可以看出有些離子彼此間的相關性良好，依照此結果，大致可以將所有離子分成三個群組，第一群組為Ｎa⁺、Mg²⁺、Cl^-，這些成分彼此之間的相關性很好，其中Ｎa⁺跟 Cl^-、Mg²⁺的相關係數值都超過 0.9，Mg²⁺跟 Cl^-的相關係數值也接近 0.9，顯示這些成分的來源或者性質可能非常相似。第二群組為 Ca²⁺、NH⁴⁺、NO³^-等離子，這些成分之間也有很好的相關性，顯示他們之間的性質也有相當程度的類似。第三群組為 NH4+

與 nss-SO42-

其相關係數值達 0.82，顯示這兩個成分彼此之間的化學作用以及來源非常類似且與其他成份不同。若以來源角度研判，第一群組的成分與Ｎa⁺有良好的相關，顯示他們可能與海水來源有關；第二群組以及第三群組均屬污染來源，

但形成機制與傳輸過程可能並不完全相同。

3-1-4 彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中NH4+

與nss-SO42-

之莫耳比值

根據表3.3列出的水溶性離子之間的相關係數，其中NH⁴⁺與nss-SO⁴^2-的相關係數達到0.82，顯示這兩個離子關係是非常密切的，在大氣中， NH⁴ 會優先與⁺SO²結合產生中和反應，若有剩餘的， NH⁴⁺才會與NO³^-產生反應(Seinfeld and Pandis 1998)，污染來源的SO²^2-經過一連串化學作用形成H²SO⁴，並且與NH⁴⁺結合形成NH⁴HSO⁴ 或者(NH⁴)²SO⁴等化合物 (Wang et al., 2006b)，而NH⁴⁺/ nss-SO⁴^2-莫耳比在NH⁴HSO⁴ 以及(NH⁴)²SO⁴中分別是0.5 ~ 1.25以及2，如果NH⁴⁺/ nss-SO⁴^2-莫耳比小於2，顯示大氣中NH4+

含量較少，因此兩者無法完全中和 ( Seinfeld et al. 1998 )，圖3.3 是彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中NH4+

/ nss-SO42-

莫耳比之月平均變化，總平均NH4+

/ nss-SO⁴^2-莫耳比是1.10，顯示彭佳嶼海域大氣中NH⁴⁺與nss-SO⁴^2-主要以NH⁴HSO⁴形式存在，而此區域的nss-SO⁴^2-含量多於NH⁴⁺，彭佳嶼海域的nss-SO⁴^2-大多是來自中國大陸的污染物質，經由東北季風傳輸至此，此顯示彭佳嶼海域受到相當程度的污染。

(32)

表 3.3、彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中主要離子間之相關係數

Na

⁺

Mg

²⁺

K

⁺

Ca

²⁺

NH

4+

Cl

^-

NO

3-

SO

42-

nss-SO

42-

Na

⁺

1.00 Mg

²⁺

0.93 1.00

K

⁺

0.35 0.39 1.00

Ca

²⁺

0.11 0.28 0.37 1.00

NH

4+

-0.11 -0.03 0.37 0.59 1.00

Cl

^-

0.95 0.87 0.29 0.13 -0.15 1.00

NO

3-

0.11 0.20 0.28 0.68 0.71 0.12 1.00

SO

42-

0.17 0.24 0.41 0.45 0.79 0.04 0.48 1.00

nss-SO

42-

0.02 0.10 0.37 0.45 0.82 -0.11 0.47 0.99 1.00

(33)

圖3.3、大氣懸浮微粒中NH4+/nss-SO42-

莫耳比之月平均變化

(34)

3-1-5 彭佳嶼海域大氣中氯的虧損

NaCl是大氣懸浮微粒中主要的海水來源成份，經由海水飛沫進入大氣中，在傳輸的過程中，NaCl會與大氣中的酸性物種發生反應，形成HCl逸散至大氣中 (Mcinnes et al. 1994)，反應式如下：

HNO^3(g) + NaCl^(s)→ NaNO^3(s) + HCl^(g)↑

SO^2(g) + H²O^(l) → H²SO^3(g)

H2SO3(g) + 2NaCl(s) → Na2SO3(s) + 2HCl(g)↑

Na²SO^3(s) +½O^2(g) → Na²SO^4(s)

圖3.4是本研究大氣懸浮微粒中Cl離子與Na離子濃度比值之時序變化，圖中紅線是代表海水中Cl離子與Na離子的比值1.8，從圖中可以發現彭佳嶼海域大氣中Cl離子全年幾乎都是虧損的情況，顯示本區域大氣中有許多污染來源的酸性物種與NaCl 產生反應。若將Cl^- / Na⁺比值除海水中Cl^-與Na⁺的比值1.8，再以1減去此數值，得到的數值可代表Cl^-虧損的程度，圖3.5是Cl^-的虧損度與nss-SO⁴^2-濃度之相關圖，可看到兩者兼有很好的相關性，顯示本區域大氣中明顯受到nss-SO42-

的污染。

(35)

圖3.4、大氣懸浮微粒中Cl^-/Na⁺比值之時序變化

y = 0.0147x + 0.1607 R² = 0.2612

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

0 10 20 30 40 50

nss-SO₄^2- (μg/m³)

Cl

-

的虧損度

圖 3.5、大氣懸浮微粒中Cl^-的虧損度與 nss-SO42-

濃度之相關作圖 n = 316

(36)

3-1-6 季風對水溶性離子分佈之影響

彭佳嶼屬於季風氣候區，冬季受到蒙古高壓的影響，盛行東北季風，夏季則受到海陸位置分布的影響盛行西南季風，本研究大致將風向分為南風族群(S)與北風族群(N)，以討論彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子於南北風向族群標本中的濃度比值(N/S)與來源之關係，並且也將南北風之風速(Winspeed)列入比較。結果如表3.4所示，所有的水溶性離子之濃度，都以北風族群的濃度較高，N/S之濃度比值最大的是 K⁺的1.69，最小的是 NO³^-的1.05，N/S比值由大至小排列依序為:

K⁺> Ca²⁺> Mg²⁺> Windspeed > Cl^-> Na⁺> SO⁴^2-> nss-SO⁴^2-> NH⁴⁺> NO³^-，北/南風 (N/S)之比值大於1表示此成份北風來源的貢獻較多， K⁺跟Ca²⁺的濃度主要由北風貢獻，K⁺的來源以污染來源為主，主要是生質燃燒，例如燒稻草或者木材產生的；

Ca²⁺的來源有很大的一部份是地殼來源，特別是沙塵暴所產生的塵土。這兩個離子的N/S比值如此高，顯示出中國大陸之來源貢獻相當大，此可能與中國大陸人民冬天燃燒木材取暖以及春季的沙塵暴有關。此外，風速(Windspeed)與Na⁺、Mg²⁺及 Cl^- 之N/S比值都接近1.2，顯示彭佳嶼海域大氣中海水來源的成份受到風力大小的影響，當海面上風力大的時候，海水來源的成份濃度均增加，數據也顯示北風的風速比南風的風速強。 nss-SO⁴^2-與NH⁴⁺之N/S比值很接近，顯示在彭佳嶼海域大氣中 nss-SO⁴^2-與NH⁴⁺的來源相同而且主要由北風從中國大陸將污染物質帶至此地，可能與中國大陸的工業燃燒石化燃料以及燒煤取暖有關。 NO3-

的N/S比值接近1，顯示南北風對於彭佳嶼海域大氣中NO3-

的貢獻沒有很大的差異，主要是因為除了中國大陸的污染外南風也從台灣就近帶來相當多量的NO³^-所造成的。

(37)

表 3.4、澎佳嶼海域大氣懸浮微粒中水溶性離子在南北風向族群中之濃度及比值

North wind population(N) (ug/m3) South wind population (S)(ug/m3) N/S

Std. Std.

Mean

Deviation Minimum Maximum Mean

Deviation Minimum Maximum

Windspeed 8.63

3.38 2.80 19.40 6.92 2.56 2.10 14.50 1.25

Na

⁺ 6.56 3.82 0.64 23.85 5.41 4.39 0.97 38.98 1.21

Mg

²⁺ 1.27 0.71 0.09 4.68 1.01 0.66 0.17 5.88 1.26

K

⁺ 0.62 0.60 0.08 5.97 0.37 0.30 0.03 1.57 1.69

Ca

²⁺ 1.70 1.22 0.23 8.09 1.26 1.16 0.17 8.49 1.35

NH

4+ 2.10 1.93 0.06 9.44 1.83 2.00 0.01 12.22 1.15

Cl

^- 9.44 6.49 0.41 44.54 7.71 9.26 0.15 80.77 1.22

NO

3- 5.35 3.78 0.61 19.23 5.11 3.63 0.38 20.52 1.05

SO

42- 12.01 6.77 1.31 41.14 10.27 7.29 1.66 39.13 1.17

nss-SO

42-

10.36

6.62 0.60 40.70 8.91 7.28 0.42 38.08 1.16

表 3.5、1996 年(吳，1997)及 2005 年( 本研究)彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中

NO

3-

及 nss-SO

42-濃度之比較

1996(μg/m

³

) 2005(μg/m

³

)

Mean Conc. Range Mean Conc. Range

NO

3- 2.2 0.17-9.7 5.7 0.38-21

nss-SO

42- 5 0.04-23.8 9.6 0.42-41

(38)

3-1-7 彭佳嶼海域2005年與1996年主要污染源離子濃度之比較

彭佳嶼由於地理位置的關係，可以接收到相當多的來自中國大陸的陸源物質，特別是污染物質，中國在近年來積極發展工業，經濟成長相當驚人，但也因此對環境造成大量的污染，本研究比較2005年與1996年(吳，1997)彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中nss-SO⁴^2-與NO³^-之濃度，如表3.5所示，這二種主要污染性離子在2005 年的平均濃度都比1996年高出許多，大約在2倍左右，不論最低濃度或者最高濃度，2005年的濃度均比1996年多出將近一倍，顯示最近10年來，來自彭佳嶼海域周圍國家所排放的污染物質明顯增加。

3-2 沙塵暴季節大氣懸浮微粒之化學特性研究

3-2-1 沙塵暴季節大氣中各元素之分析結果

除了分析水溶性離子的濃度外，為了進一步探討沙塵暴季節大氣組成的變化，本研究特別分析了2005年3月至5月彭佳嶼海域大氣懸浮微粒之金屬元素濃度，包括Al、Fe、Na、Mg、K、Sr、Ba、Ti、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb、Cr等十五個元素，每年3月至5月的春季是一年當中沙塵暴發生最頻繁的季節，因此分析這段時間採集的標本對了解彭佳嶼海域沙塵暴季節時的大氣組成變化相當有意義。表3.6是春季時大氣懸浮微粒中各元素的平均濃度以及濃度的最大值和最小值。各元素中以Na的濃度最高為4873 ng/m³; Co的濃度最低為0.38 ng/ m³；各元素的平均濃度由高至低依序是 Na > Al > K > Mg > Fe > Ti > Pb > Mn > Cu > Ni

> Ba > Sr > Cr > Cd > Co。依據其濃度高低，大致可將元素分為高、中、低濃度三個族群；其中Fe、Al、Na、Mg、K是屬於高濃度族群，濃度皆大於100 ng/m³； Ti、 Pb、 Mn、Cu、Ni、Ba、Sr、Cr、Cd是屬於中等濃度族群，濃度介於1至100 ng/m³， Co的濃度低於1 ng/m³，是低濃度族群。觀察各元素濃度之最大值與最小值可以發現Na和Mg的濃度全年變化很小，顯示 Na和Mg的濃度分布相較於其他元素而言是比較穩定的；而其他元素的濃度變化則比較大，變化幅度大約在2~3個數量級。造成

(39)

應的強度和傳輸途徑，季風變化及其他氣象因子等(Gao et al., 1992b; 林，1993)。

表 3.6、2005 年沙塵暴季節彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素之平均濃度及濃度範圍

Element Mean Conc. Min. Max. Max/Min

Al

1212 44 8213 186

Fe

732 55 3762 69

Na

4873 1725 13601 8

Mg

816 260 1928 7

K

1077 199 4124 21

Sr

9 1.84 33 18

Ba

12 0.56 57 103

Ti

67 2.50 454 182

Mn

24 2.19 112 51

Co

0.38 0.06 2 32

Ni

15 2.35 124 53

Cu

15 0.29 47 162

Cd

1 0.07 4 56

Pb

31 0.44 143 322

Cr

5 0.26 18 69

UNIT:ng/m³ N=57

(40)

3-2-2 沙塵暴季節大氣中各元素濃度的時序變化

圖 3.6 為沙塵暴季節大氣懸浮微粒中各元素濃度的時序變化，從圖中可以發現 Al，K， Fe，Ti，Pb， Mn，Ni，Ba，Sr，Cr，Cd 和 Co 等元素的濃度在沙塵暴期間最高值都出現在 4 月 10 日到 4 月 15 日之間，顯示這段期間有比較強的沙塵暴發生。藉由觀察 Al 的濃度變化也可以確切看出沙塵暴發生的時間，這是因為 Al 普遍被認為是地殼物質來源的指標性元素，在沙塵暴發生的期間，大量的地殼物質會隨氣流帶至大氣中，因此若 Al 的濃度出現高值時就可能與沙塵暴的發生有關。亞洲沙塵暴主要是從中國內陸經由長程傳輸至各地，台灣周圍海域也會受到亞洲沙塵暴的影響，沙塵暴發生時，Al 的濃度會明顯增加許多倍(Gao et al., 1992b；林，1996；Carmichael et al., 1997)。在 2005 年 4 月 11 日的標本中，

Al 的濃度是最高的，達到 8213 ng/m³，在此標本中同時出現最高值的元素還包括 Fe、Mg、K、Ba、Ti、Mn 及 Co；其他元素雖然在此標本中沒有出現最高濃度值，

但是濃度也比平常高許多倍，可見在沙塵暴發生期間各元素濃度都會大幅增加。

Na 和 Mg 濃度的時序變化比較一致，和其他元素比較不一樣，這兩個元素在沙塵暴季節的濃度變化並不如 Al 和 Fe 等元素變化大，大氣中 Na 和 Mg 的主要來源是從海水飛沫而來(Gao et al., 1992b)，風速的強弱會影響 Na 和 Mg 濃度的變化，風速越強則 Na 和 Mg 的濃度也相對的越高，尤其對 Na 的影響最明顯，這是因為 Na 的來源幾乎是以海鹽為主，Mg 則有部份是陸源成份；在所分析的標本中，Na 濃度最高值出現在編號 PCY050302 (2005 年 3 月 2 日) 的標本中，此標本的平均風速達 9.7 m/s，最高風度達 16 m/s，Mg 的濃度在此標本雖然不是最高值，但仍然比其他標本高出許多。

(41)

Al

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Al (ng/m3)

K

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 K(ng/m3)

Fe

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Fe (ng/m3)

Sr

0 5 10 15 20 25 30 35

302 306 313 317 320 325 401 404 407 410 413 418 423 426 429 502 505 513 522 Sr(ng/m3)

Ba

0 10 20 30 40 50 60

302 306 313 317 320 325 401 404 407 410 413 418 423 426 429 502 505 513 522 Ba(ng/m3)

Cd

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

302 306 313 317 320 325 401 404 407 410 413 418 423 426 429 502 505 513 522 Cd(ng/m3)

Ti

0 100 200 300 400 500

302 306 313 317 320 325 401 404 407 410 413 418 423 426 429 502 505 513 522 Ti(ng/m3)

Pb

0 20 40 60 80 100 120 140 160

302 306 313 317 320 325 401 404 407 410 413 418 423 426 429 502 505 513 522 Pb(ng/m3)

圖 3.6、2005 年沙塵暴季節大氣懸浮微粒中各元素濃度的時序變化

(42)

Mn

0 20 40 60 80 100 120

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Mn(ng/m3)

Cu

0 10 20 30 40 50

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Cu(ng/m3)

Cr

0 5 10 15 20

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Cr(ng/m3)

Na

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Na(ng/m3)

Ni

0 20 40 60 80 100 120 140

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Ni(ng/m3)

Mg

0 500 1000 1500 2000 2500

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Mg(ng/m3)

Co

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

302 307 316 320 327 403 407 411 415 423 427 501 505 520 Co(ng/m3)

圖 3.6、(續)

(43)

3-2-3 金屬元素與水溶性離子之主成份分析結果

為了清楚的分辨真正影響大氣懸浮微粒組成的因素，在以下的討論中，我們藉由主成份分析法(principal component analysis) 將沙塵暴季節所有標本之水溶性離子濃度以及金屬元素濃度之數據綜合計算並且歸納出影響各組成成分濃度高低的主要原因及其機制。主成份分析法是一種多變量統計方法，主要是用較少的變數去解釋原始資料的大部分變異，將多個變化量綜合成幾個少數共同的因子，這個方法有助於簡化大量的資料，更容易進行討論。此方法可應用於兩個方面：一個是簡化觀測系統，一是將變量或是樣品加以分類。目前此數值方法被廣泛應用在心理學、社會學、人口學、經濟學、地質學、生理學與物理學各方面(邱，

2002)

我們使用SPSS軟體進行因子分析，以便進一步探討水溶性離子和金屬元素之間的關連。根據分析結果，變數之間相關值高的，可能表示這些項目之間有相同的來源、傳輸過程、移除機制或其他相關性質。

本研究有20個變數 (包括7個水溶性離子濃度與13個金屬元素濃度)，為了使因素負載量( factor loading )值變大以利於解釋，採取直交轉軸法(orthogonal rotation)中的最大變異法(varimax)進行分析，使得分析出來的共同因素更加明確且彼此之間獨立無相關性。主成份分析結果如圖3.7所示，總共得到四個因子，

分別以Factor 1至Factor 4表示，這四個因子佔總變異量的87.51%，由Factor 1 至Factor 4依序佔34.98%，26.43%，15.13%及10.97%，因子負載量(loading)大於 0.5則表示這些成份的濃度分布之間彼此相關，以下將針對每個因子進行討論。

因子一(Factor 1) 佔34.98%的變異量，以Fe、Al、Ti、Ca²⁺、Sr、Ba、Mn及 Co等成分為代表，其中Al和Fe 的負載量分別達到0.96與0.9，這些成分的相關性佳，而且與地殼來源的代表性元素Al有關，顯示Factor 1所代表的意義為地殼來源的影響，在3月到5月的春季，此區域主要受到東北季風影響，從中國大陸北方帶的來許多地殼物質影響此區域大氣中的成份，這個因子代表的含意為陸源地殼物質的影響。

因子二(Factor 2) 佔26.43%的變異量，以Ca²⁺、K⁺、NH4+

、nss-SO42-

、NO3-

、Cd

(44)

及Pb為代表，其中以 NH4⁺、nss-SO42-

的負載量最大，顯示這個因子與污染來源物質有相當大的關係，主要來源是中國大陸並且是藉由東北季風帶來的。

因子三(Factor 3) 佔15.13%的變異量，以Na、Mg²⁺及Cl^-為代表，這三個成分的負載量都超過0.9，且與海水來源的代表性元素Na有關，顯示Factor 3所代表的意義為海水來源的影響。

因子四(Factor 4) 佔 10.97%的變異量，以 Ni、Cu 及 Cr 為代表，此因子也是以污染來源物質為主，但是與 Factor 2 不同的是，這個因子是以高溫燃燒所排放的污染物質為主，特別是冶煉工業，而 Factor 2 則可能是以煤的燃燒以及石化燃料燃燒為主。

(45)

圖 3.7、2005 年沙塵暴季節大氣懸浮微粒中各成分之主成分分析結果

(46)

3-2-4 沙塵暴季節大氣中各元素之來源鑑別

了解各元素在沙塵暴時期濃度的時序變化之後，為了更進一步探討元素的來源，我們計算各元素的富集值，此主要是利用指標性元素計算某元素相對於地殼及海水組成的富集度，計算的結果可以讓我們更了解地殼、海鹽或者污染來源對各元素的貢獻度。元素富集值(EF)的計算公式如下:

EFsource = (E/I)aerosol / (E/I)source

EF^source: 某元素對來源的富集值

(E/I)^aerosol: 大氣中某元素與指標元素之濃度比

(E/I)source : 來源物質中某元素與指標元素之濃度比值

大氣中元素主要的來源包括地殼、海水以及污染來源(Chester, 2000)，地殼以及海水有一定的組成，因此可以很容易的找到指標性元素並且計算出元素富集值，

污染元素由於來源比較複雜，無法明確找到指標性元素，因此在計算元素富集值的時候，大多只計算地殼富集值以及海水富集值，再以二者的富集值大小來推斷污染來源，計算地殼富集值所採用的地殼平均組成是以 Taylor and McLennan (1985) 之數據為標準，海水組成則以 Riley and Chester (1971) 的數據為標準。元素富集值接近 1 表示某元素以該來源為主，若大於 10 則表示不以該來源為主，如果某元素的地殼以及海水富集值都大於 10，則表示某元素以污染來源為主。本研究以 Al 作為地殼源的指標性元素，以 Na 作為海水來源的指標性元素，因為這兩個元素分別是地殼以及海水中含量豐富且穩定的元素，以下為地殼富集值以及海水富集值的計算公式:

彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素及水溶性離子之化學特性研究

國立台灣大學理學院海洋研究所碩士論文 Institute of Oceanography

College of Science National Taiwan University

Master Thesis

彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素及水溶性離子之化學特 性研究

Chemical Characteristics of Trace Elements and Water-Soluble Ions in Marine Aerosols over Pengchiayu Island

曾幀琳 Cheng-Lin Tseng

指導教授:林斐然 博士 Advisor: Fei-Jan Lin, Ph.D.

中華民國九十七年七月

July , 2007

致謝

摘要

Abstract

目 錄

一、前言

二、研究方法

Element Certified This Work Recovery% Precision%

SRM-1648(%)

Al

Fe

Na

Mg

K

Ti

Zn

Pb

SRM-1648(ppm)

Ba

Mn

Ni

Cu

Co

Cd

BCSS-1

Sr

Cr

*: Non-certified value

三、結果與討論

Mean conc. S. D. Max. Min. Max./Min.

Na

Mg

K

Ca

NH

Cl

NO

SO

nss - SO

n=365 Unit: μg/m

Unit: μg/m

Na

Mg

K+ Ca

NH

Cl

NO

SO

Reference

Na

Mg

K

Ca

NH

Cl

NO

SO

nss-SO

Na

1.00

Mg

0.93 1.00

K

0.35 0.39 1.00

Ca

0.11 0.28 0.37 1.00

NH

-0.11 -0.03 0.37 0.59 1.00

Cl

0.95 0.87 0.29 0.13 -0.15 1.00

NO

彭佳嶼海域大氣懸浮微粒中金屬元素及水溶性離子之化學特性研究

指導教授:林斐然博士 Advisor: Fei-Jan Lin, Ph.D.

July , 2007      

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