雾霾的生与消

nimaboke 2015-4-11 275

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。

雾霾的定义:污染!


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。

雾霾的归类:大小!


大气中各种颗粒物的粒径范围(来自浙江大学环境科学系)

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。

雾霾的组成和来源:人类!


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。

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北京市PM2.5排放源解析(来自 2011年北京市环保局发布数据)

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。

大气中的污染排放与二次产物(来自网络)

雾霾的消除途径:风雨!


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。


小Z2015/04/18 12:52:47 评论:
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