探因中國(guó)霧霾:工業(yè)排放與汽車(chē)排放污染物共存
2013年12月30日，中科院大氣物理研究所研究員張仁健課題組發(fā)表在國(guó)際期刊《大氣化學(xué)與物理學(xué)》上的一篇論文引發(fā)關(guān)注。
該論文研究了北京城區(qū)細(xì)顆粒物總體污染水平及季節(jié)變化特征，其中關(guān)于北京“汽車(chē)尾氣與垃圾焚燒”對(duì)霧霾的平均貢獻(xiàn)只有4%的結(jié)論，與此前其他研究機(jī)構(gòu)的結(jié)論大相徑庭。
關(guān)于北京霧霾PM2.5的來(lái)源，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都發(fā)表過(guò)各自的研究結(jié)論，機(jī)動(dòng)車(chē)的“貢獻(xiàn)”一般認(rèn)為在10%～50%之間，多數(shù)認(rèn)為在20%～30%之間。
2014年1月2日上午，北京市環(huán)保局副局長(zhǎng)方力在“2013年北京市空氣質(zhì)量狀況新聞通報(bào)會(huì)”上，對(duì)“PM2.5中汽車(chē)尾氣僅占4%”回應(yīng)說(shuō)，僅為“一家之言”。當(dāng)日下午，中科院緊急召開(kāi)新聞通氣會(huì)，對(duì)這一研究結(jié)論進(jìn)行澄清。
張仁健課題組的論文認(rèn)為，北京PM2.5有6個(gè)重要來(lái)源，分別是土壤塵、燃煤、生物質(zhì)燃燒、汽車(chē)尾氣與垃圾焚燒、工業(yè)污染和二次無(wú)機(jī)氣溶膠，這些源的平均貢獻(xiàn)分別為15%、18%、12%、4%、25%和26%。
“這個(gè)研究本身不能說(shuō)錯(cuò)。”中科院“大氣灰霾追因與控制”專(zhuān)項(xiàng)首席科學(xué)家賀泓向本刊記者解釋說(shuō)，“請(qǐng)注意，它的源解析中有二次無(wú)機(jī)氣溶膠，這里面很大部分是由機(jī)動(dòng)車(chē)排放的氣體轉(zhuǎn)化的。另外，二次有機(jī)氣溶膠的相當(dāng)一部分也是來(lái)自機(jī)動(dòng)車(chē)的排放。”
賀泓表示，要精確說(shuō)明“二次氣溶膠”的來(lái)源，目前還做不到。他認(rèn)為，“二次氣溶膠”的形成機(jī)制不完全清楚正是目前中國(guó)霧霾“機(jī)理不明”的關(guān)鍵所在。
“二次氣溶膠”
二次氣溶膠在PM2.5中占大部分。“這是通過(guò)對(duì)我國(guó)16個(gè)站點(diǎn)、兩年的分析發(fā)現(xiàn)的，各地的霧霾以二次氣溶膠為主。”中國(guó)氣象科學(xué)研究院副院長(zhǎng)張小曳告訴本刊記者。
我國(guó)對(duì)氣溶膠的研究始于20世紀(jì)90年代左右。張小曳從1989年開(kāi)始一直致力于氣溶膠的研究，是我國(guó)較早從事氣溶膠研究的科學(xué)工作者之一。他也是國(guó)家“973”計(jì)劃“我國(guó)大氣氣溶膠及其氣候效應(yīng)”和“氣溶膠-云-輻射反饋過(guò)程及其與亞洲季風(fēng)相互作用的研究”項(xiàng)目的首席科學(xué)家。
張小曳向本刊記者解釋說(shuō)，空氣中能夠影響能見(jiàn)度的物質(zhì)有兩種，分別是顆粒物和水滴。顆粒物就是氣溶膠。根據(jù)氣象學(xué)上的定義，霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10千米的空氣普遍渾濁現(xiàn)象。這里的干塵粒指的就是干氣溶膠粒子。
云則是指懸在空中的水滴，當(dāng)它到達(dá)地面后也稱(chēng)為霧。但是如果沒(méi)有凝結(jié)核，在實(shí)際的大氣中云霧也無(wú)法形成。當(dāng)空氣中水汽較多時(shí)，某些吸水性強(qiáng)的干氣溶膠粒子會(huì)吸水長(zhǎng)大，并最終活化成云霧的凝結(jié)核，若污染粒子很多，就會(huì)產(chǎn)生更多、更小的云霧滴，使能見(jiàn)度進(jìn)一步降低，低于1千米時(shí)被定義為霧，而能見(jiàn)度在1~10千米時(shí)則被定義為輕霧。
因此，沒(méi)有干氣溶膠粒子就不能形成霾，沒(méi)有氣溶膠粒子參與在實(shí)際大氣中也無(wú)法形成霧。
張小曳進(jìn)一步解釋說(shuō)，由于霧和霾都能影響能見(jiàn)度，所以，能見(jiàn)度低于10千米時(shí)，有時(shí)可能既有霾的貢獻(xiàn)，也有霧的貢獻(xiàn)。霾和霧在一天之中可以變換角色，甚至在同一區(qū)域內(nèi)的不同地方，霧和霾也會(huì)有所側(cè)重。一般情況下，大家看到的同時(shí)有霾和霧存在的、我國(guó)區(qū)域性能見(jiàn)度低于10千米的空氣普遍渾濁現(xiàn)象被稱(chēng)為“霧-霾”天氣。
張小曳告訴本刊記者，通過(guò)對(duì)我國(guó)能見(jiàn)度與氣溶膠關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)近二三十年中東部區(qū)域霾問(wèn)題的日益嚴(yán)重，主要是由人為排放的大氣氣溶膠顯著增加所致。他說(shuō)，過(guò)去在山區(qū)也易產(chǎn)生霧，其凝結(jié)核是植被產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物最終形成的有機(jī)碳粒子，量不大，F(xiàn)在霧的凝結(jié)核中，多為人為活動(dòng)排放，量大且對(duì)人體有害。大氣在同樣液態(tài)水含量下，因?yàn)槟Y(jié)核多，就更容易形成數(shù)量多但小的水滴。這些小水滴量多而小，滯空時(shí)間長(zhǎng)，壽命長(zhǎng)，更不容易下雨。
1980年以來(lái)，我國(guó)人為排放加劇，化石燃料、生物質(zhì)燃燒增加，土地利用和覆蓋改變，造成空氣中一次和二次氣溶膠大幅上升。
張小曳解釋說(shuō)，一次氣溶膠是指從排放源直接排放到大氣中的氣溶膠粒子，二次氣溶膠是由排放源排放的氣體轉(zhuǎn)化生成的氣溶膠，一次氣溶膠與二次氣溶膠的成分有一些不同。他的團(tuán)隊(duì)在研究中關(guān)于二次氣溶膠有一些發(fā)現(xiàn)。比如，我國(guó)華北區(qū)域中70%的氣溶膠與2種或3種其他來(lái)源氣溶膠混合，低溫條件下，臭氧與二氧化硫在礦物氣溶膠表面存在協(xié)同效應(yīng)，使二次硫酸鹽生成速率隨著溫度降低出現(xiàn)先加快后減慢的趨勢(shì)，直接影響大氣中二次硫酸鹽生成總量。“類(lèi)似的反應(yīng)，使中國(guó)霧霾問(wèn)題更為復(fù)雜。”
“復(fù)合型”污染的難題
弄清楚這些反應(yīng)機(jī)制，正是中科院“大氣灰霾追因與控制”專(zhuān)項(xiàng)研究希望破解的難題。
2013年1月，中國(guó)出現(xiàn)大范圍霧霾天氣。為了探究霧霾成因，中科院“大氣灰霾追因與控制”專(zhuān)項(xiàng)王自發(fā)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)成霾過(guò)程進(jìn)行了模擬。“現(xiàn)在他們模擬的數(shù)據(jù)已經(jīng)基本上比較接近實(shí)際了，能夠提前3天到7天就預(yù)報(bào)出來(lái)會(huì)不會(huì)有下一次霾。但是污染最重的霾的峰值往往模擬不出來(lái)，問(wèn)題可能就在于污染最重的時(shí)候，有一些化學(xué)過(guò)程和機(jī)制我們沒(méi)有認(rèn)識(shí)清楚。”賀泓告訴記者。
賀泓介紹說(shuō)，近10年來(lái)，中國(guó)華北地區(qū)排放的一次顆粒物呈下降趨勢(shì)，PM2.5的總量沒(méi)有明顯增加，但是霧霾天氣卻明顯增加了。
一種可能的原因是二次顆粒物在PM2.5中占比增加，導(dǎo)致PM2.5的成分變化，造成消光的效果加強(qiáng)。
二次顆粒物當(dāng)中，硫酸鹽氣溶膠是一個(gè)重要的組成部分。近10年來(lái)，中國(guó)大氣中二氧化硫排放總量呈下降趨勢(shì)，但是硫酸鹽氣溶膠卻沒(méi)有明顯下降。二氧化硫是二次顆粒物里面一個(gè)重要的前體物，前體物下降，二次顆粒物卻沒(méi)有下降，這說(shuō)明更多的二氧化硫轉(zhuǎn)化成了硫酸鹽，說(shuō)明轉(zhuǎn)化速度快了。“由此，我們得到一個(gè)假設(shè)：在大氣復(fù)合污染的條件下，污染物之間相互反應(yīng)，造成大氣氧化性增強(qiáng)，氣體向顆粒物的轉(zhuǎn)化在加快。”賀泓說(shuō)。
賀泓告訴本刊記者，這個(gè)假設(shè)目前已經(jīng)得到了一些實(shí)驗(yàn)室模擬和外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持。該專(zhuān)項(xiàng)王躍思研究團(tuán)隊(duì)在河北省興隆縣有一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，這個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于燕山深處。2013年1月6日到16日，這個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的霧霾比北京市輕得多，PM2.5的濃度大概只是北京的1/3。此地空氣中二氧化硫濃度和北京市差不多，可是硫酸鹽濃度卻比北京市低得多。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，成霾的時(shí)候，北京市的氮氧化物濃度要比興隆縣高得多。他們進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在某種合適的條件下，大氣中的礦質(zhì)顆粒物和氮氧化物可以起到催化劑的作用，催化空氣中的二氧化硫向硫酸鹽轉(zhuǎn)化。
賀泓分析說(shuō)，“中國(guó)的霧霾，其復(fù)雜就在于工業(yè)排放特別是燃煤排放的污染物與機(jī)動(dòng)車(chē)排放的污染物同時(shí)存在，這與主要由燃煤排放的污染物造成的倫敦?zé)熿F和主要由機(jī)動(dòng)車(chē)排放導(dǎo)致的洛杉磯的光化學(xué)煙霧都截然不同，使得中國(guó)在單項(xiàng)污染物濃度相對(duì)較低的情況下產(chǎn)生了比較重的霧霾天氣。而我們對(duì)其中的一些反應(yīng)機(jī)制，主要是一些氧化機(jī)制并不是非常清楚，造成對(duì)PM2.5的來(lái)源尚無(wú)法準(zhǔn)確解析。”
如果前述關(guān)于大氣氧化性增強(qiáng)的猜想成立，可能意味著目前普遍所認(rèn)為的“機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)北京這樣的特大城市霧霾的貢獻(xiàn)在20%～30%之間”的估計(jì)仍然存在低估的可能性。“因?yàn)闄C(jī)動(dòng)車(chē)本身排出顆粒物，它排出的氣體還轉(zhuǎn)化為顆粒物，這些都還可以測(cè)量和計(jì)算。但是，如果它還幫助別的氣體轉(zhuǎn)化為顆粒物，這個(gè)作為催化劑的貢獻(xiàn)就不那么好計(jì)算了。”“現(xiàn)有的一些研究結(jié)論已經(jīng)可以幫助我們大致了解霧霾成因，但是我們之所以要研究準(zhǔn)確，是因?yàn)橹析彩怯谐杀镜，只有更?zhǔn)確地把握霧霾成因，才能知道采取什么樣的措施是成本更低、效果更好的。”賀泓強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
他告訴本刊，由于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家大氣污染問(wèn)題具有明顯的階段性，而我國(guó)大氣污染物問(wèn)題屬于特有復(fù)合污染類(lèi)型，因此發(fā)達(dá)國(guó)家在大氣污染治理過(guò)程中并未經(jīng)歷過(guò)我國(guó)所面臨的新老問(wèn)題集中爆發(fā)的狀況，故此目前我們尚無(wú)直接的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)可借鑒！
國(guó)家科研專(zhuān)項(xiàng)啟動(dòng)
目前，國(guó)家層面針對(duì)霧霾和大氣污染的科研專(zhuān)項(xiàng)已經(jīng)陸續(xù)啟動(dòng)，主要有“藍(lán)天科技工程”、“大氣灰霾追因與控制”和“清潔空氣研究計(jì)劃”三項(xiàng)大的研究計(jì)劃。
2012年7月10日，科技部、環(huán)保部印發(fā)了《藍(lán)天科技工程“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》，旨在針對(duì)我國(guó)大氣污染的突出問(wèn)題和改善環(huán)境空氣質(zhì)量的需求，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌大氣環(huán)境保護(hù)科技研發(fā)、示范應(yīng)用、成果轉(zhuǎn)化、人才培養(yǎng)、能力建設(shè)、國(guó)際合作、決策支撐等創(chuàng)新活動(dòng)，完善大氣環(huán)境保護(hù)科技創(chuàng)新體系，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為改善大氣環(huán)境質(zhì)量、保障人民群眾生命健康提供技術(shù)支持。
2012年9月，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“大氣灰霾追因與控制”研究啟動(dòng)，該專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃用5年的時(shí)間，以環(huán)渤海、長(zhǎng)三角、珠三角為研究區(qū)域，闡明區(qū)域灰霾形成的機(jī)制，研發(fā)致霾關(guān)鍵污染物的控制技術(shù)，為控制灰霾污染提供科學(xué)可行的技術(shù)和政策解決方案。中科院的14家研究所，以及北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院等8家院外科研單位的300多位科研人員參與該項(xiàng)研究。
2013年9月29日，環(huán)保部啟動(dòng)“清潔空氣研究計(jì)劃”，該計(jì)劃分2013~2015年、2016~2017年和2018~2020年三個(gè)階段實(shí)施。包括國(guó)家層面的管理技術(shù)研發(fā)和重點(diǎn)區(qū)域的清潔空氣科技工程兩大部分。
中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院副院長(zhǎng)柴發(fā)合告訴本刊記者，“藍(lán)天科技工程”側(cè)重于技術(shù)研究，“大氣灰霾追因與控制”更側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而“清潔空氣研究計(jì)劃”則更側(cè)重于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。幾個(gè)專(zhuān)項(xiàng)之間有相互的合作和交流，是互為基礎(chǔ)、互相促進(jìn)的。
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