雾霾的生与消

近日来，关于雾霾和空气污染的讨论再起热潮。但对雾霾，大家的了解到底有多少呢？本文试图将雾霾、大气污染、以及前一阵子常提到的PM2.5之间的关系做一个梳理。

雾和霾最初是两个不同的概念，雾指悬浮在空中的小水滴，霾指悬浮在空中的固体小颗粒。由于粒子大小足以散射可见光，影响光线的传播，所以人们能够看到它们。最初的概念里并没有大气污染的意思。也许有人还能回想起几十年前清晨小树林里蒙蒙的雾气，吸一口，心旷神怡。伦敦和洛杉矶烟雾事件发生以后，西方人将烟（smoke）和雾（fog）组合在一起，形成一个新词“smog”来描述这种污染性的烟雾混合体。中国首先将smog翻译成烟雾，所以这两起事件都叫“伦敦烟雾事件”和“洛杉矶烟雾事件”，后来转用“雾霾”，用来表示这种受到污染的悬浮颗粒物。

大气中悬浮颗粒物的大小范围很广，从纳米级别（米）到毫米级别（米），横跨约六个数量级。图1给出了空气中一般出现的大气颗粒物种类与大小。超过10微米的粒子，直径跟头发丝粗细差不多（或者更大），在空气中停留时间不长，无风的时候很容易落到地上，叫做“干沉降”。空气动力学当量直径（简单理解就是直径，下同）小于10微米的粒子，或PM10，也就是我们常说的“可吸入颗粒物”，因其容易被吸入人的呼吸道而得名。这其中较大的粒子容易被鼻腔、气管中的纤毛阻隔，而更小的粒子则更有可能随着空气进入肺泡，甚至通过血管壁进入到血液循环中去。一般认为直径小于2.5微米的颗粒物就能够进入肺泡，影响更大，所以将这部分细颗粒物单独拎出来再分一类，这就是我们现在常说的PM2.5。由于这些颗粒很小，在空气中能长时间悬浮，只有通过随风扩散的方式降低浓度，再通过成云致雨的途径随着降水回到地面，这叫做“湿沉降”。

PM10和PM2.5并没有规定直径下限，所以原则上可以小到无穷小。不过既然它们叫做“颗粒物”，自然还是有限制的。大气污染中除了颗粒物以外的另一个组成部分就是污染气体。污染气体种类繁多，我们常说的有二氧化硫，氮氧化合物，还有臭氧以及挥发性有机物。二氧化硫和氮氧化合物大家已经熟知了，主要跟燃料燃烧有关。臭氧也许在很多人心中还是一个正面形象，南极臭氧洞让人们了解到臭氧可以吸收紫外线，保护地球上的生物。但是，那是离我们十几公里高的平流层臭氧。在我们身边的臭氧，由于它的强氧化性，对人们的眼睛、呼吸道黏膜有很强的刺激性，也容易跟橡胶、塑料等有机物反应，加速老化。挥发性有机物，英文简写为VOC，是所有能在常温下能以气体状态存在的有机物的统称，甲醛、氟利昂等著名的污染物就在其中之列。二氧化硫、氮氧化合物和一部分挥发性有机物能溶于水，在空气中能吸收附近的水汽形成小液滴，或者吸附在别的液滴上，形成雾霾。这种溶解了杂质的液滴比纯净的水滴更不容易蒸发，在相对湿度80%的情况下还能保持一定的水分，更容易富集更多的污染物，对人类造成危害。

雾霾的成分十分复杂，总的来说分成三类：自然的粉尘和扬沙，燃料燃烧的各种产物与二次产物，细菌、病毒等微生物。其中自然的粉尘和扬沙本身对人体无害，只有在吸入呼吸道后会刺激呼吸道黏膜，容易使人哮喘。细菌和病毒是很多流行病的根源，流感就是其中一例。我们要讨论的是第三类：燃料燃烧的产物与二次产物。

燃料燃烧主要是由于人类活动引起的（见图2）。偶有火山喷发，森林大火也会给空气中带来大量颗粒物。在人口密集的城市、工业区，燃料排放占到了大气悬浮颗粒物的一半以上。北京市环保局2011年的数据表明，北京的颗粒物污染中有68%都是由于各种燃料燃烧产生的。而上海市环保局2012年的数据表明上海的颗粒物污染也有约70%来源于燃料燃烧。毫无疑问地说，大城市中的颗粒物污染主要都是来源于燃料的燃烧。

在燃料燃烧的产物中，有很多污染物并不是直接以颗粒物的形式排放的，而是前面所说的污染气体。这些污染气体有的可以直接互相反应，有的溶于水以后会与水滴里其他的物质发生反应，形成很多新的污染，叫做二次产物。有研究表明，北京市机动车直接排放的PM2.5只占雾霾组成的4%，但是二次产物占到了26%。按照成分分类，二次产物有二次无机物和二次有机物两种。 二次无机物的来源主要是含硫化合物（二氧化硫，硫酸根）和含氮化合物（氮氧化物，氮氢化物），在阳光和臭氧的作用下相互发生各类反应。1943年洛杉矶光化学烟雾就是典型的这类二次无机物污染。由于这类反应需要阳光的参与，所以叫做“光化学”反应。有机物本身分子量大，结构复杂，直接排放的一次有机物就包括了烷、烯、烃、酯、醛、苯等类别，经过二次反应后的产物成分就更复杂了。二次有机物和一次有机物一样，它们对人的最大危害是由于其中有些成分对人类有剧毒，或是有强致癌作用。

前文已经提到，消除雾霾有两个途径：干沉降（悬浮颗粒物直接落到地面）和湿沉降（悬浮颗粒物附着在雨滴、雪花上降落到地面）。由于颗粒物越小，越容易在空气中悬浮随风飘荡， PM2.5在空气中的停留时间能达到数天，干沉降的效率极其低下。就算好不容易沉积到地面了，风一吹，汽车一过，马上又扬起来了。湿沉降是消除PM2.5最重要的途径，我们都有类似的经验，一场大雨下来，就算没有什么风，空气中的悬浮颗粒物也能减少很多。南方的雾霾没有北方严重，多阴雨天气应该是一个很重要的原因。由于雾霾的出现一般都是区域性的，这么大范围的空气污染现在还无法通过人工的方式消除，只能依靠自然之力来消除。

消除区域性雾霾还有一个办法，就是靠吹（大气扩散）。大气扩散并不能让雾霾从空气中消除，但是将污染物从人口稠密的地方吹到高空、海上等人口稀薄的地区，有助于污染浓度的降低。同时，扩散到海洋上空的颗粒物更容易通过湿沉降的方式从空气中消除（海洋上的降水量远大于陆地）。但若是风力不够，污染物并没有扩散太远，就有可能吹到另一个地方污染当地的居民。在这一点上中国属于先天不足。中国东部属于东亚季风区，夏季盛行偏南风冬季盛行偏北风，中国的人口聚居区工业区整体上也是呈南北向的，雾霾在很多地区都是从一个污染区吹到另一个污染区。在碰到山脉阻挡的时候，如果风力不够强到能将污染物吹到高空扩散到别的地区，山脉附近迎风面的污染就会尤为严重。这一点在刮南风时的北京特别明显。

总的来说，高排放，难扩散是雾霾形成的两个重要原因。如果你住在人口、车流量很大的大城市，或者是烟囱很多的工业区，当你看到天气预报说未来几天受到弱高压或弱低压影响，风速很小，相对湿度比较大（>60%），那么小心了，未来几天很可能会有比较严重的空气污染；而当你看到天气预报说未来几天一股冷空气将要来临，或者是将有雨雪天气，甚至是台风即将影响本地，那恭喜你，你应该能享受几天的新鲜空气了。