探因中国雾霾
中国的雾霾,其复杂性就在于工业排放特别是燃煤排放污染物与机动车排放污染物同时存在
2013年12月30日,中科院大气物理研究所研究员张仁健课题组发表在国际期刊《大气化学与物理学》上的一篇论文引发关注。
该论文研究了北京城区细颗粒物总体污染水平及季节变化特征,其中关于北京“汽车尾气与垃圾焚烧”对雾霾的平均贡献只有4%的结论,与此前其他研究机构的结论大相径庭。
关于北京雾霾PM2.5的来源,国内相关研究机构都发表过各自的研究结论,机动车的“贡献”一般认为在10%～50%之间,多数认为在20%～30%之间。
2014年1月2日上午,北京市环保局副局长方力在“2013年北京市空气质量状况新闻通报会”上,对“PM2.5中汽车尾气仅占4%”回应说,仅为“一家之言”。当日下午,中科院紧急召开新闻通气会,对这一研究结论进行澄清。
张仁健课题组的论文认为,北京PM2.5有6个重要来源,分别是土壤尘、燃煤、生物质燃烧、汽车尾气与垃圾焚烧、工业污染和二次无机气溶胶,这些源的平均贡献分别为15%、18%、12%、4%、25%和26%。
“这个研究本身不能说错。”中科院“大气灰霾追因与控制”专项首席科学家贺泓向本刊记者解释说,“请注意,它的源解析中有二次无机气溶胶,这里面很大部分是由机动车排放的气体转化的。另外,二次有机气溶胶的相当一部分也是来自机动车的排放。”
贺泓表示,要精确说明“二次气溶胶”的来源,目前还做不到。他认为,“二次气溶胶”的形成机制不完全清楚正是目前中国雾霾“机理不明”的关键所在。
“二次气溶胶”
二次气溶胶在PM2.5中占大部分。“这是通过对我国16个站点、两年的分析发现的,各地的雾霾以二次气溶胶为主。”中国气象科学研究院副院长张小曳告诉本刊记者。
我国对气溶胶的研究始于20世纪90年代左右。张小曳从1989年开始一直致力于气溶胶的研究,是我国较早从事气溶胶研究的科学工作者之一。他也是国家“973”计划“我国大气气溶胶及其气候效应”和“气溶胶-云-辐射反馈过程及其与亚洲季风相互作用的研究”项目的首席科学家。
张小曳向本刊记者解释说,空气中能够影响能见度的物质有两种,分别是颗粒物和水滴。颗粒物就是气溶胶。根据气象学上的定义,霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10千米的空气普遍浑浊现象。这里的干尘粒指的就是干气溶胶粒子。
云则是指悬在空中的水滴,当它到达地面后也称为雾。但是如果没有凝结核,在实际的大气中云雾也无法形成。当空气中水汽较多时,某些吸水性强的干气溶胶粒子会吸水长大,并最终活化成云雾的凝结核,若污染粒子很多,就会产生更多、更小的云雾滴,使能见度进一步降低,低于1千米时被定义为雾,而能见度在1~10千米时则被定义为轻雾。
因此,没有干气溶胶粒子就不能形成霾,没有气溶胶粒子参与在实际大气中也无法形成雾。
张小曳进一步解释说,由于雾和霾都能影响能见度,所以,能见度低于10千米时,有时可能既有霾的贡献,也有雾的贡献。霾和雾在一天之中可以变换角色,甚至在同一区域内的不同地方,雾和霾也会有所侧重。一般情况下,大家看到的同时有霾和雾存在的、我国区域性能见度低于10千米的空气普遍浑浊现象被称为“雾-霾”天气。
张小曳告诉本刊记者,通过对我国能见度与气溶胶关系的分析发现,我国近二三十年中东部区域霾问题的日益严重,主要是由人为排放的大气气溶胶显著增加所致。他说,过去在山区也易产生雾,其凝结核是植被产生的挥发性有机化合物最终形成的有机碳粒子,量不大。现在雾的凝结核中,多为人为活动排放,量大且对人体有害。大气在同样液态水含量下,因为凝结核多,就更容易形成数量多但小的水滴。这些小水滴量多而小,滞空时间长,寿命长,更不容易下雨。
1980年以来,我国人为排放加剧,化石燃料、生物质燃烧增加,土地利用和覆盖改变,造成空气中一次和二次气溶胶大幅上升。
张小曳解释说,一次气溶胶是指从排放源直接排放到大气中的气溶胶粒子,二次气溶胶是由排放源排放的气体转化生成的气溶胶,一次气溶胶与二次气溶胶的成分有一些不同。他的团队在研究中关于二次气溶胶有一些发现。比如,我国华北区域中70%的气溶胶与2种或3种其他来源气溶胶混合,低温条件下,臭氧与二氧化硫在矿物气溶胶表面存在协同效应,使二次硫酸盐生成速率随着温度降低出现先加快后减慢的趋势,直接影响大气中二次硫酸盐生成总量。“类似的反应,使中国雾霾问题更为复杂。”
“复合型”污染的难题
弄清楚这些反应机制,正是中科院“大气灰霾追因与控制”专项研究希望破解的难题。
2013年1月,中国出现大范围雾霾天气。为了探究雾霾成因,中科院“大气灰霾追因与控制”专项王自发研究团队对成霾过程进行了模拟。“现在他们模拟的数据已经基本上比较接近实际了,能够提前3天到7天就预报出来会不会有下一次霾。但是污染最重的霾的峰值往往模拟不出来,问题可能就在于污染最重的时候,有一些化学过程和机制我们没有认识清楚。”贺泓告诉记者。
贺泓介绍说,近10年来,中国华北地区排放的一次颗粒物呈下降趋势,PM2.5的总量没有明显增加,但是雾霾天气却明显增加了。
一种可能的原因是二次颗粒物在PM2.5中占比增加,导致PM2.5的成分变化,造成消光的效果加强。
二次颗粒物当中,硫酸盐气溶胶是一个重要的组成部分。近10年来,中国大气中二氧化硫排放总量呈下降趋势,但是硫酸盐气溶胶却没有明显下降。二氧化硫是二次颗粒物里面一个重要的前体物,前体物下降,二次颗粒物却没有下降,这说明更多的二氧化硫转化成了硫酸盐,说明转化速度快了。“由此,我们得到一个假设:在大气复合污染的条件下,污染物之间相互反应,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化在加快。”贺泓说。
贺泓告诉本刊记者,这个假设目前已经得到了一些实验室模拟和外场观测数据的支持。该专项王跃思研究团队在河北省兴隆县有一个观测点,这个观测点位于燕山深处。2013年1月6日到16日,这个观测点的雾霾比北京市轻得多,PM2.5的浓度大概只是北京的1/3。此地空气中二氧化硫浓度和北京市差不多,可是硫酸盐浓度却比北京市低得多。进一步研究发现,成霾的时候,北京市的氮氧化物浓度要比兴隆县高得多。他们进一步的研究发现,在某种合适的条件下,大气中的矿质颗粒物和氮氧化物可以起到催化剂的作用,催化空气中的二氧化硫向硫酸盐转化。
贺泓分析说,“中国的雾霾,其复杂就在于工业排放特别是燃煤排放的污染物与机动车排放的污染物同时存在,这与主要由燃煤排放的污染物造成的伦敦烟雾和主要由机动车排放导致的洛杉矶的光化学烟雾都截然不同,使得中国在单项污染物浓度相对较低的情况下产生了比较重的雾霾天气。而我们对其中的一些反应机制,主要是一些氧化机制并不是非常清楚,造成对PM2.5的来源尚无法准确解析。”
如果前述关于大气氧化性增强的猜想成立,可能意味着目前普遍所认为的“机动车对北京这样的特大城市雾霾的贡献在20%～30%之间”的估计仍然存在低估的可能性。“因为机动车本身排出颗粒物,它排出的气体还转化为颗粒物,这些都还可以测量和计算。但是,如果它还帮助别的气体转化为颗粒物,这个作为催化剂的贡献就不那么好计算了。”“现有的一些研究结论已经可以帮助我们大致了解雾霾成因,但是我们之所以要研究准确,是因为治霾是有成本的,只有更准确地把握雾霾成因,才能知道采取什么样的措施是成本更低、效果更好的。”贺泓强调说。
他告诉本刊,由于欧美发达国家大气污染问题具有明显的阶段性,而我国大气污染物问题属于特有复合污染类型,因此发达国家在大气污染治理过程中并未经历过我国所面临的新老问题集中爆发的状况,故此目前我们尚无直接的国际经验可借鉴。 文/记者温泉
