灰霾“真兇”
始作俑者
2010年，中國環(huán)境監(jiān)測總站研究人員在全國選取了9個城市試點監(jiān)測灰霾天氣，發(fā)現(xiàn)灰霾日與非灰霾日相比，PM2.5質量濃度增幅達33.3%～123.1%，遠高于粗粒子濃度增幅（粒徑在2.5～10微米），他們認為PM2.5是產生灰霾的重要因素之一。
據中科院大氣物理研究所研究員王躍思監(jiān)測，正常天氣下PM2.5大約占PM10質量的50%，在灰霾天氣下，能升至65%～75%，嚴重時達到80%。
細粒子對大氣能見度的影響主要是對可見光的散射和吸收作用，其中散射可造成能見度減弱60%～95%。王躍思認為，因為可見光的波長范圍是0.4～0.7微米，直徑在這個范圍內的粒子對光散射影響最大。
王躍思介紹，在PM2.5中，0.4～1微米粒子的質量占到60%～70%。嚴重灰霾天氣與晴天相比，這段粒子的質量濃度有時上升六七倍，數濃度上升上百倍，所以這部分粒子對灰霾影響最大。
同時，細粒子個數的增多是導致能見度下降的關鍵原因。王躍思在北京奧運會期間曾作了一項統(tǒng)計，當能見度高時，大氣中每立方厘米有20個細粒子（PM2.5），當能見度差時，每立方厘米有2000多個，增長了100多倍。
王躍思說：“真正影響能見度的是數濃度。”他介紹，目前非灰霾天氣下，細粒子數濃度在幾十個左右，但在10月底的幾個灰霾天，數濃度則翻了幾十倍。而同期監(jiān)測的質量濃度，在10月30日達到峰值145微克/立方米，比正常值60～70微克/立方米只翻了兩倍。
也就是說，每立方米多少微克和每立方米多少粒，跟粒子的密度有很大關系。細粒子組成成分復雜，來源有揚塵、飛灰、黑碳等，密度各不相同，數濃度高的，質量濃度不一定高。
而霾增多的關鍵原因在于粒徑在0.4～1微米的輕、小粒子越來越多。
復雜的污染源
據王躍思監(jiān)測，從2003年至今，北京地區(qū)PM2.5質量濃度持續(xù)升高。細粒子增多使大氣環(huán)境污染變得更為復雜。目前，大氣中細粒子的有機化學成分能分離出3萬多種。相比粗粒子，細粒子來源、成分更復雜，更富變化，更加難以控制。
同時，近幾年，細粒子中有機碳和元素碳所占比例越來越高，即碳質細粒子數濃度增加過快。元素碳很輕，但它的粒子數不少，而且表面積大，消光性強。
有機碳和元素碳比例的增加，主要是因為機動車數量增多，建筑、房屋裝修和日常生活中排放出易揮發(fā)的氣體增多。
除了有機碳和元素碳，細粒子的第二大成分是硫酸鹽和硝酸鹽，約占PM1粒子的30%以上。燃燒和工業(yè)排放并不直接產生硫酸鹽和硝酸鹽粒子，而是由其產生的氣體二次生成。
王躍思解釋，一個非常小的粒子與氣體發(fā)生反應生成新的粒子，如粒子上附著硫酸，遇到氨氣便會吸收增長成新的較大粒子。“二次生成的粒子，是大氣中的光化學反應導致污染的一個重要過程”。
正是因為存在二次生成過程，盡管北京幾乎不排放二氧化硫，但硫酸鹽粒子濃度卻高居不下，輕時占10%，重時達到20%，原因即在于周邊區(qū)域排放的二氧化硫生成硫酸鹽粒子，隨大氣輸送到北京。
粒徑越小越危險
據介紹，細粒子不但可以二次生成，還可以增長，其增長方式主要是吸濕和碰并兩個物理過程。
一個干粒子，如硫酸氨、硝酸氨都是納米級的，肉眼看不見；但它們具有吸濕性，一吸水就開始膨脹，到400納米以上時，便可以散射可見光被人看見，就是所謂的成霾粒子。
PM0.4數量龐大，但質量很輕，對PM2.5質量濃度“貢獻”很小，所以經常被忽略。但在吸濕性方面，它的“潛質”卻很強。這部分粒子稍微吸點水就能長大，使能見度迅速下降。
PM0.4也來自于所謂“清潔”燃料的燃燒，比如天然氣和高標號汽油，這預示著空氣污染已經進入了一個新的發(fā)展階段。
細粒子另外一種增長方式是碰并。PM2.5粒子中，具有“動力學穩(wěn)定結構”的粒徑段為0.4～0.7微米，這部分粒子可以在大氣中獨立存在，懸浮很長時間，數濃度最高。
其他更小的粒子，通過碰撞也更容易合并成這個粒徑段的粒子，如兩個0.2微米的粒子碰撞，很容易并成一個0.4微米的粒子，這個物理過程叫做“碰并”增長。
正是這種穩(wěn)定的動力學結構，0.4～0.7微米的細粒子還能吸附很多更小粒徑的粒子、病毒、細菌，其中吸附的重金屬和多環(huán)芳烴對人體危害最大。
王躍思說，華北地區(qū)污染最嚴重的重金屬依次是鋅、鉛、銅，來源主要是工廠黑金屬冶煉過程和汽車尾氣。大氣中的鋅、銅、鉛等20多種重金屬主要吸附在細粒子上，不但自身有害，還在大氣光化學反應過程中起著重要的催化作用，使納米粒子轉化成霾粒子的速度更快。
有研究顯示，重金屬成分在粒徑較小的粒子上富集能力強，甚至更易吸附在PM0.1這些超細粒子上。
另外，細粒子自身的結構也決定了其強大的吸附和接觸能力。細粒子有一個重要的特點——孔徑非常多，將其展開后的比表面積可能達到幾十平方米。也正是這個特點，使它具有更大的活性表面與其他物質接觸，從而發(fā)生各種難以預測的化學反應。
王躍思比喻說：“活性炭能吸附很多有毒物質，就是因為它多孔，比表面積大，形狀就像馬蜂窩。”
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