科普|雾霾跻身气象灾害，是天灾还是人祸？

瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）的André Prévôt和中国科学院地球环境研究所的曹军骥等人曾对中国四个城市（北京、上海、广州、西安）在2013年严重的雾霾污染事件期间的市区位置颗粒物的化学性质和来源进行研究，发现严重雾霾很大程度上是由二次气溶胶的形成造成的。因此控制污染的策略应着眼于减少二次气溶胶前体物的排放，比如减少化石燃料或者生物质燃烧，以及减少主要污染源（直接排放到大气中的粒子）的释放（研究发表在2014年10月9日的《自然》杂志上）。而《自然》杂志2015年10月25日发表的另一篇文章提示说，目前中国空气污染物的成分非常复杂，已经形成了一个“污染物生态系统”，许多未知的化学以及物理反应正在氧化物中间进行或者改变着气溶胶的表面属性，因此只有了解大气化学才能解决中国的雾霾问题。

曹军骥等人的具体实验结果显示，北京、上海、广州、西安四个城市在2013年的严重雾霾事件时，市区中心的PM2.5浓度几乎是同纬度欧美国家城市市区的两倍。（见图1）

图1  2013年1月5日至15日雾霾时期在北京、上海、广州以及西安四个城市中心测试的PM2.5的化学成分以及来源。

图例1（蓝色）显示的是PM2.5的化学成分。有机化合物（简称OM）是PM2.5的主要成分，其他成分分别为硝酸盐（Nitrate）、硫酸盐（Sulphate）、铵盐（Ammonium）、氯化物（Chloride）、其他可追踪物质（Measured trace elements）、碳化物（EC）以及未被识别物质（Unidentified）。图例二显示的是PM2.5的主要来源，分别是交通（Traffic）、工业燃煤（Coalburning）、生物质燃烧（Biomass burning）、生活燃煤（Cooking）、尘埃颗粒（Dust related）、二次有机气溶胶（简称SOA，Secondary organic aerosol）以及二次无机气溶胶（简称SIA，Secondary inorganic aerosol）。

位于图1中央的方框图描述了中国区域的气溶胶光学厚度（简称AOD），颜色由浅至深表示其光学厚度由浅至深（由0至1）。

此项实验的结果表明，大气污染物PM2.5主要有七大来源，分别是交通、工业燃煤、生物质燃烧、生活燃煤、尘埃颗粒、二次有机气溶胶以及二次无机气溶胶。其中北京、上海、广州这三个城市的PM2.5成分中，51%–77%来自于二次污染物，即二次有机气溶胶以及二次无机气溶胶（后者主要以硫酸盐、硝酸盐以及铵盐的形式存在）。而在西安，二次污染物所占的比例仅为30%，主要是由于其地处中国西部，空气中尘埃颗粒的比例较高（在PM2.5中占46%）。

此外，中国北部城市的二次有机气溶胶与二次无机气溶胶之比（SOA/SIA ratio）远高于中国南部城市。例如，西安和北京这两座城市的二次有机气溶胶与二次无机气溶胶之比分别为1.4和1.3，而上海和广州的这一比例仅为0.6和0.7。这个现象主要是由于二次有机气溶胶与二次无机气溶胶的不同排放模式所形成的。前者主要来自交通尾气、工业燃煤、生物质燃烧以及生活燃煤等一级排放，是一些挥发性有机物的氧化产物，包括半挥发性有机物以及挥发性有机物的中间产物。而后者与城市的地理位置密切相关，北京、上海、广州以及西安分别地处京津冀、长江三角洲、珠江三角洲以及关中城市群。报告作者认为，污染物会从人口密集、城市化或者工业化程度高的城市向城市群中心聚拢，这类大规模污染物的聚拢过程将会产生更为严重的二次气溶胶。

图2 中的条形图显示的分别是在PM2.5浓度不断递升时，北京、西安、上海以及广州四个城市的空气颗粒物（简称PM，particulate matters）以及有机颗粒物（简称OM，organic matters）的七大主要来源所占比例的变化。横坐标显示的是PM2.5浓度的变化范围，其中第二个条形图上方显示了不同情形下的有机颗粒物的浓度。

图2  北京、西安、上海、广州四个城市的空气颗粒物以及有机颗粒物的主要来源所占比例的变化。

上图显示了导致雾霾事件中空气颗粒物以及有机颗粒物较高的各项成分，可以发现，二次气溶胶（即图中黑色和紫色的部分）浓度升高是导致PM2.5浓度升高的主要因素，其比例在空气颗粒物中占到81%，在有机颗粒物中占到73%。在上述条形图中，PM2.5最高的情形与PM2.5最低的情形相比，二次气溶胶在空气颗粒物以及有机颗粒物中的比例分别增长了140%以及130%，也就是说二次气溶胶的大量排放是导致此次雾霾事件的重要因素。

此外，二次有机气溶胶以及二次无机气溶胶在各个城市空气中的比例不同，表明其在各个区域的排放模式不同。在北京及西安这样以煤炭燃烧为主要污染来源的城市，冬天大范围地使用暖气是二次气溶胶排放的重要途径。而在广州及西安，生物质燃烧则是二次气溶胶形成的主要来源。

这项研究发现，在北京及上海这些二次有机气溶胶排放显著的城市，通过控制车辆以及煤炭燃烧（引进燃煤清洁流程）的途径能够有效地控制挥发性有机物的排放。而在广州及西安，减少生物质燃烧（控制农业以及其他途径的生物质燃烧）将是有效的措施。除此之外，在改善空气质量的过程中，我们仍应当考虑郊区与市区空气对流的影响因素，也就是上文所提及的污染物聚拢效应。

综上所述，减少二次有机气溶胶以及二次无机气溶胶的前体物（氮氧化物、二氧化硫、氨气，尤其是目前控制措施较少的挥发性有机物）是达成减少PM2.5排放，降低环境、经济、健康成本的有效途径。中国政府在制定相关措施时需要充分考虑上述影响因素。此外，对于印度以及非洲国家等空气污染日趋严重的国家，上述研究中所考量的因素同样具有参考价值。

如何治理中国空气污染的问题引起了全世界科学家的关注。2015年10月25日，《自然》杂志刊登了一篇名为《中国正呼吸着令人窒息的混合物》（Atmospheric chemistry:China’s choking cocktail）的文章，文章作者是赫尔辛基大学大气科学系主任Markku Kulmala教授。他认为，如果想要获得城市室外和室内环境的清洁空气，就需要更深入理解，尤其是研究不同污染物之间可能发生的不可预测的化学反应。

由于工业发展、能源供给以及交通车辆的增长，中国的空气污染日益恶化。中国的二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等排放物占全球排放总量的30%至35%，同时20至1000纳米排放物也占全球的40%。中国排放的温室气体中有29%是一氧化碳，20%是沼气。政府正致力于减少以上物质的排放量。

相比欧洲50-100年前空气污染中相对简单的污染物成分，目前中国空气污染物的成分非常复杂，已经形成了一个“污染物生态系统”。减少二次污染物（例如臭氧以及有机气溶胶）的排放，我们需要对污染物相互之间的物理以及化学反应有比较全面且深入的理解。二次污染物的形成和衰减随着周围温度、湿度、风速以及城市空气中其他化学物质的变化而变化。如果没有长期深入的检测研究，就无法预知潜在的化学反应（例如表面化学过程、氧化反应、聚集过程等其他动态反应）。而目前空气污染的相关研究中，对这些引起二次污染的化学反应还处于初步了解的阶段。

在赫尔辛基大学的合作机构南京大学地球系统区域过程综合观测试验基地里，研究团队发现，如果控制了一种污染物的含量，也许会让其他污染物的含量增加。比如，南京夏天时，如果减少氮氧化物的排放，会导致臭氧含量增长10倍，而臭氧增加带来的危害性会更大。所以，如果不了解污染物之间会发生什么反应，只是盲目治理某一种污染物，有可能会带来更大危害。在另一个研究数据中，研究者发现，雾霾会影响天气预报的预测。比如，雾霾减少时，太阳光的射入会增加，就会导致气温升高，甚至会改变降雨降雪的情况。

令人吃惊的是，在中国的许多城市，正在进行的减排措施并没有真正改善空气质量。例如，上海、南京以及北京这些城市空气中的小颗粒物质（颗粒在1至3纳米范围之间）的含量是欧洲城市的十倍之多。二次污染物也比预想的更易形成。许多未知的化学以及物理反应正在氧化物中间进行或者改变着气溶胶的表面属性，从而影响了其吸附冷凝蒸汽的能力。

空气污染的问题不仅包括室外空气，还包括室内空气。尤其是大城市的居民，大概90％的时间都处在室内环境中。污染物会从室外向室内传输，与室内的烹饪、吸烟、取暖及室内家具释放的污染物混合在一起，造成复杂的室内空气污染。中国室内空气质量的相关信息较少，Markku Kulmala教授团队现有的调查表明，部分室内空气污染物的含量高于室外，是欧洲国家居民室内污染物的100至1000倍。Kulmala教授认为，室内空气污染物与室外烟雾具有同等的致死强度，也就是说，室内空气污染也可能会导致每年130万人口死亡。

要想达到中国政府的减排目标，尤其是将城市的空气质量改善至美国以及欧洲那样的程度，分析认为需要做的还有很多：对于与健康相关的空气污染物进行至少十年的追踪记录，以对空气混合物及其毒性有一个全面的了解，从而建立空气质量的衡量标准。短期的治理远远不够。

图3显示了不同减排措施对死亡率的影响。黑线表示如果什么都不做，死亡率会越来越高。红线表示如果只是短期的快速治理（如APEC蓝），死亡会在一段时间内减少，但很快又会继续升高。蓝线则是Markku Kulmala教授团队提出的一种综合全面的研究和治理方法，即监测所有的污染物，了解它们之间可能发生的反应，并使用清洁技术解决污染问题。研究团队认为，减少某些特定的污染物只会赢得一些时间，但是这个综合全面的研究和治理方法，可以在10年内，让中国的空气质量变得和欧洲一样。

图3  不同减排措施对死亡率的影响。

Markku Kulmala教授认为，只有了解大气化学才能解决中国的雾霾问题。中国的中央政府、地方政府、研究机构及大学应积极合作，与全世界的大气化学家一起，从以下几点解决雾霾问题。

首先，建立一个旗舰监测站网络用来监测：浓度、气流量、反应和反馈，以及更全面的空气质量及气象数据。每个大城市大概需要5-8个这样的监测站，每个监测站的花费约为700至1100万美元。同时，也需要汽车和飞机上的移动检测平台、地面的气柱遥感、卫星观测以及雾霾室等来完善这一监测站网络。这样就可以通过历史数据来确定主要的污染物。

其次，要立即在一些代表性的住宅和办公楼里，开始进行室内空气质量的测量及监控。

再次，大气化学家必须要在高浓度的不同污染物环境中，开始模拟二次污染的反应过程及反馈机制。这些实验模拟，应与实际观察进行对比。

接着，需要确定空气污染与死亡率以及其他健康问题之间有怎样的联系。优先确认与健康最相关的污染物有哪些，来源在哪里，然后先来解决这些污染物的问题。需要逐步建立一个数据库，来跟踪这些污染物对健康的影响。

最后，应实施长期的、可持续的工程性解决方案，比如对工业中生产流程和物料流通的改进，以确使空气污染保持在低水平。这需要中国各地政府机构的能力建设，利用空气质量的评测数据来制定决策，研究立法以及计划清洁空气的行动。

文章来源于赛先生

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