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火山喷发与野火复合事件对空气质量和人类健康构成复杂威胁，但其排放物混合后的物理化学过程尚不明确。本研究针对冰岛Litli-Hrútur 2023年火山喷发引发的苔原野火，通过无人机与地面采样，结合化学与形态学分析，揭示了火山与野火排放物混合会形成具有新特性的“混合颗粒物(hybrid PM)”，这可能改变关键污染物的传输与暴露风险，为复合灾害的风险评估与健康防护提供了新见解。
想象一下这样的场景：炽热的熔岩如河流般在大地上蔓延，所到之处，干燥的苔原被瞬间点燃，烈焰与浓烟冲天而起。与此同时，火山口还在不断喷吐着含有有毒气体和细颗粒物的烟柱。这不是灾难电影的画面，而是2023年夏天在冰岛Litli-Hrútur真实上演的“复合灾害”——一场由火山喷发直接引发的、冰岛有现代记录以来最大规模的苔原野火。火山喷发和野火单独来看，都是重要的空气污染源，会对区域空气质量和人类健康造成严重威胁。但当这两者同时同地发生，它们的排放物——火山气体、火山灰、野火烟雾——在空气中相遇、混合，会发生什么？是简单叠加，还是会产生“1+1>2”的新风险？这个问题的答案，对于评估此类日益频繁的复合灾害的真实危害、制定有效的公共健康防护指南至关重要，然而此前科学界对此却知之甚少。
为了解开这个谜团，一个由利兹大学Laura Wainman和Evgenia Ilyinskaya等人领导的国际研究团队，在喷发期间深入现场，开展了一项紧急空气质量监测研究。他们的研究成果发表在环境科学领域知名期刊《Science of The Total Environment》上，首次系统揭示了在火山-野火复合事件中，两种来源不同的排放物混合后会形成物理化学性质发生改变的“混合颗粒物”，这可能对污染物的环境归趋和人体暴露风险产生独特影响。
为开展这项研究，研究人员运用了几项关键的技术方法。他们利用无人机和地面背包系统，搭载滤膜包和级联撞击器，在火山口上方、熔岩-苔原燃烧界面以及下风向的徒步小径等多个关键位置，原位采集了纯火山、纯野火以及两者混合的颗粒物和气样。所有现场人员均佩戴了防护面罩。样品随后被带回实验室，通过电感耦合等离子体质谱分析其痕量元素组成，并利用扫描电镜和透射电镜-电子能量损失谱对颗粒物的形貌、元素分布进行高分辨率成像和分析。此外，研究还使用光学粒子光谱仪在游客徒步路径进行了快速的PM2.5和PM10浓度监测，以评估人体暴露风险。
研究结果显示，火山排放和野火排放的颗粒物具有截然不同的特征。熔岩脱气产生的颗粒物主要是小于30微米的硅酸盐碎片（a-c），而苔原燃烧则产生了大于100微米的纤维状碳质苔藓碎片。关键在于，当这两类排放物在熔岩-苔原燃烧界面直接混合，或在下风向大气中传输混合时，发生了显著的机械相互作用，形成了“混合颗粒物”。
1. 颗粒物形态与混合相互作用：扫描电镜图像清晰地显示，纤维状的苔藓碎片会与大小相似的硅酸盐碎片粘附在一起，形成直径更大的团聚体。更有趣的是，在下风向的样本中，较大的苔藓颗粒像“网”一样，捕获了大量更小的火山气溶胶颗粒，使其附着在苔藓纤维之间。这个过程被称为“清除”。
2. 颗粒物包覆与气体相互作用：对一份来自熔岩-苔原界面的苔藓颗粒进行更精细的透射电镜-电子能量损失谱分析发现，硫和氯这两种元素在颗粒表面和亚表面的质量分数显著高于颗粒内部。这表明苔藓颗粒在燃烧和随烟羽传输过程中，与火山释放的SO2和HCl等气体发生了相互作用，表面可能吸附或反应生成了含硫、氯的物质。
3. 痕量元素特征：不同来源样品的元素指纹证实了混合的发生。在熔岩-苔原界面样本中，植物所需的营养元素（如K、Ca、P）显著富集，这来自苔藓燃烧的贡献。更有意义的是，通过级联撞击器对颗粒物进行按尺寸分级发现，在下风向的混合样本中，几乎所有被检测的痕量元素在>PM2.5的粗颗粒部分所占的质量比例，都远高于在熔岩-苔原界面的样本。这直接证明了混合过程中，较小的火山颗粒物被较大的苔藓颗粒“清除”，并随之进入了更大的粒径范围。
4. 整体尺寸分布与OPS后处理：现场光学粒子光谱仪的监测数据显示，在靠近火山口和燃烧点的观景点A，PM2.5浓度持续处于较高水平；而在下风向的徒步小径E，则表现为较低的本底浓度叠加间歇性的高峰。根据冰岛环境署的短期暴露限值，游客在类似条件下徒步，可能面临累计超过1.5小时的不健康级别PM2.5暴露，这印证了当时当局关闭景点的必要性。
在讨论与结论部分，作者深入阐释了这些发现的含义。研究表明，在火山-野火复合事件中，团聚和清除是形成混合颗粒物的两个关键机制。虽然这两种过程在单一的火山或大气科学中已有研究，但在复合事件中，它们发生在两种不同来源的排放物之间，这是独特的。这种相互作用导致了颗粒物物理化学性质的改变，最显著的是增大了有效粒径。
这种粒径变化具有重要的环境与健康意义。首先，它可能创造一条新的、更快速的沉降途径：较大的混合颗粒物以及被其“网罗”住的小颗粒，会更快地从烟羽中沉降下来。这可能导致火山释放的重金属等污染物在源区附近更集中地沉积，加剧局地环境污染，但同时可能减少它们的长距离传输。研究还初步发现，不同元素被苔藓颗粒清除的效率可能不同，这意味着复合事件可能会改变污染物在环境中的“元素指纹”和空间分布模式。
其次，从健康暴露角度看，尽管混合过程可能增加了粗颗粒的比例，但细颗粒物仍然是主要的暴露风险贡献者。研究表明，游客在事发地徒步会经历显著的PM2.5峰值暴露，这强调了在此类复合灾害事件中，为应急人员、工作人员乃至受影响的民众配备有效的呼吸防护装备，是减少急性健康风险的关键干预措施。
总之，这项研究首次详细刻画了火山-野火复合灾害中空气污染物的复杂交互过程，明确了“混合颗粒物”的形成及其潜在影响。它揭示，此类事件并非简单的污染叠加，而是会催生具有新特性的污染物，从而可能改变其环境行为与健康风险。随着全球气候变暖，极端干旱天气增多，火山喷发引燃周边植被的可能性正在上升。这项研究因此具有前瞻性的重要意义，它呼吁未来的火山灾害减缓规划必须整合这种独特的复合空气污染威胁，并为制定更精准的公共卫生防护策略提供了关键科学依据。
