近日,核工业北京地质研究院完成了对北京雾霾成分的检测,结果显示:北京雾霾空气中放射性铀处于安全正常水平,此前个别人传播的“核雾霾”说缺少科学依据,北京控制雾霾应主要控制二氧化硫排放。

中国气象科学研究院位于北京市海淀区中国气象局大院内,在气科院大楼的楼顶,气溶胶质谱仪一直默默值守,在线采集、分析北京亚微米气溶胶的成分。张养梅介绍道,所谓亚微米气溶胶是指直径在1微米以下的粒子。因此质谱仪采集的数据对于分析大气成分是具有代表性的。
16日夜间开始,北京经历今年来持续时间最长、程度最重的雾和霾天气过程。北京南部部分站点空气质量指数爆表,天地间一片昏暗。此时,网络上、朋友圈里各类关于空气质量的言论开始流传,其中人们最为关注的是“这次雾霾里主要是含硫酸铵,??原来伦敦有次硫酸铵超标,有好多人没有防护而死亡”。
网络流传硫酸铵会致命。
此次重污染天气过程中,我们呼吸的空气里这到底包含什么物质?和之前的重污染天气相比有何不同?硫酸铵会直接导致死亡吗?为此,中国天气网记者采访了中国气象科学研究院大气成分所副研究员张养梅。
北京的霾里到底有哪些成分?
中国气象科学研究院位于北京市海淀区中国气象局大院内,在气科院大楼的楼顶,气溶胶质谱仪一直默默值守,在线采集、分析北京亚微米气溶胶的成分。张养梅介绍道,所谓亚微米气溶胶是指直径在1微米以下的粒子。大家熟悉的PM2.5其实是一个总称,包括空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴。研究显示,直径1微米及以下的粒子占PM2.5的60%左右,因此质谱仪采集的数据对于分析大气成分是具有代表性的。
各类颗粒在采样颗粒中所占比重。绿色代表有机气溶胶,橙色为硫酸盐、蓝色为硝酸盐,粉色为氯化物,浅橙色为铵盐。有机气溶胶所占比重最大,硝酸盐次之。
16日至20日,北京采样颗粒中有机气溶胶占比最多。
通过仪器采集数据及分析,12月5日至20日采集到的1微米及以下的粒子,主要包括有机气溶胶、硝酸盐、硫酸盐等构成。有机气溶胶是一个总称概念,具体的组成目前还没有完全研究清楚,大家经常听说的多环芳烃就是有机气溶胶的一种。硫酸盐主要来自燃煤,燃煤排放的二氧化硫发生一系列氧化反应,成为硫酸铵。硝酸盐主要来自燃煤和机动车排放,氯化物的主要来源包括垃圾焚烧、燃煤以及燃放烟花爆竹等。
16日至20日,北京采样颗粒中有机气溶胶占比最多。
通过对12月16日至20日对北京的采样颗粒进行分析后,结果显示有机气溶胶是其中占比最大的颗粒,高达45%;硝酸盐颗粒占比24%排第二,主要来自燃煤和机动车排放等;硫酸盐占比15%,主要来自燃煤等;铵盐占比12%,氯化物占比4%。
北京霾和伦敦烟雾一样吗?有致命成分?
就在北京空气质量持续恶化之时,网络谣言也开始流传。针对网上流传的硫酸铵会致命,张养梅表示这是不可能的。空气质量好时,空气中也存在有机气溶胶、硫酸盐等颗粒,只是浓度较低、颗粒物较小。霾天气时,仪器不会观测到硫酸铵,观测到的是硫酸、铵两个离子,他们结合成硫酸铵的可能性很大,空气重污染时浓度更高一些。空气中含有硫酸铵并不是政府发布红色预警的必要条件。
硫酸铵是颗粒物,和二氧化硫气体有明显区别,颗粒物对人体健康的影响程度没有气体迅速。如果空气中二氧化硫气体浓度很高的话,相当于人在“吸毒气”,对人体有致命影响。当年的伦敦烟雾在短短几天内造成数千人死亡,就是因为空气中酸性气体浓度太高。监测显示,12月5日以来,北京硫酸盐的浓度峰值出现在20日,达40-50微克/立方米,远远低于伦敦烟雾事件时的浓度。
当然,硫酸铵等颗粒物也会影响人体健康。它们会随着呼吸进入人体肺部,引发心脑血管和呼吸道的疾病。另外,北京的空气污染物中,含有一定比例的铵,会和硫酸、硝酸发生中和形成颗粒,和酸性气体相比,颗粒的危害性相对轻一些。
污染物浓度日间变化明显 夜间高白天低
分析还表明,空气中各种污染物的浓度整体呈现白天低、夜间高的变化规律。分析时,将12月5日至20日每天同一时次颗粒浓度做分类平均统计,显示颗粒物夜间浓度明显偏高,白天下降明显。
各类颗粒的浓度白天下降明显,夜间明显上升。
张养梅表示,浓度变化主要受排放量和气象条件两个因素影响。在排放量相同的情况下,从气象条件来说,夜间湿度增大,可以吸附更多污染物。同时,冬季夜间气温较低,大气边界层下压。在气体容量不变的情况下,体积变小,空气污染物浓度升高。白天,大气边界层抬升,体积增大,污染物浓度降低。
和2008年相比硫酸盐浓度下降
总体来说,和之前相比,北京空气中的颗粒种类的浓度分布排位没有太大变化,有机气溶胶的浓度一直是最大。但是分析显示,今年12月和2008年1月相比,硫酸盐在不同颗粒物比重的排位下降。
从图中可见,今年12月5日至20日,硝酸盐在颗粒物组成中浓度上升,基本都排在第二位,硫酸盐下降排在第三位;而2008年1月5日至2月2日,硫酸盐浓度排第二位,硝酸盐排第三位。张养梅表示,这一数据的变化也可以说明,政府对二氧化硫排放的监管和控制,比如煤改气措施、工厂加装脱硫设备等发挥了作用。硝酸盐浓度的上升,则与燃煤、机动车排放增加有一定关系。
北京的雾霾将在明天减弱消散,但在近几年中,霾仍将在秋冬季反复出现。张养梅提醒大家,虽然霾天气对人体的危害没有那么“激烈”,但仍需防护,尽量减少在户外活动的时间,外出时戴口罩。在室内时,也可启动空气净化器等设备,营造相对安全的空气环境。

揭开北京雾霾“真身”雾霾什么味儿?曾经,雾霾高发的季节,细心的网友“品味”雾霾的味道,并晒各个城市雾霾味道的不同,北京霾被网友奉为最“醇厚”“经典”。这其实跟雾霾背后不同的化学成分有关。王跃思带领的中国科学院大气物理研究所中国生态环境研究网络大气分中心团队,一直在研究北京雾霾的“配方”,以帮助全社会有针对性地从源头治理雾霾。

   
据核工业北京地质研究院院长李子颖介绍,自2014年起,他们开始对北京雾霾成分和含量进行检测。对三次重度霾天气采样检测结果表明,北京采样点处空气中铀活度浓度均不超过0.38微克/立方米,属安全正常水平,雾霾与放射性铀无关。

王跃思;氮氧化物;臭氧;颗粒物;雾霾

  雾霾成分检测结果表明,雾霾颗粒中水溶性污染物主要为硝酸根、铵离子、硫酸根、卤素离子等。在固体颗粒物中,主要存在各种砂土颗粒(主要是硅酸盐)、有机质、硫酸盐和铁氧化物等,其中石膏晶体颗粒尤为明显,其等效直径在2.5微米左右,很多附着物小于2.5微米,有些属于纳米级颗粒。

雾霾什么味儿?曾经,雾霾高发的季节,细心的网友“品味”雾霾的味道,并晒各个城市雾霾味道的不同,北京霾被网友奉为最“醇厚”“经典”。这其实跟雾霾背后不同的化学成分有关。

  这一结果为治理雾霾提供了“线路图”,即治霾应主要治理石膏晶体颗粒。而要治理石膏晶体颗粒,就必须控制二氧化硫排放。专家认为,二氧化硫在合适的湿度、温度等条件下,容易和碳酸钙作用,形成亚硫酸钙,并被空气中的氧气和臭氧氧化为二水硫酸钙石膏晶核。晶核一旦形成,其他颗粒物很快被其吸附或附着其上,最终形成雾霾。基于此,北京治理雾霾本质措施应是减少二氧化硫排放。

王跃思带领的中国科学院大气物理研究所中国生态环境研究网络大气分中心团队,一直在研究北京雾霾的“配方”,以帮助全社会有针对性地从源头治理雾霾。

 

在“北京及周边区域大气复合污染形成机制及防控措施研究示范”课题中,团队提出的“氮氧化物中心说”可谓识破了北京雾霾的本质。治理燃煤、严控机动车、控制扬尘……北京一项项大气治理措施、一年年PM2.5浓度的下降,正让这一研究成果变成环境治理的实践。

最早提出“氮氧化物中心说”

2013年,北京市正式对公众发布PM2.5监测结果,也是在这一年,北京市治理PM2.5的大幕拉开。

污染来势汹汹。监测的头一个月,北京就遭遇五次空气重污染,首尾两次时间各长达5天。整个1月份,雾霾天气多达23天!

北京的雾霾是什么来头?我国自上世纪70年代开始,为防治酸雨和光化学污染,相继提出了控制二氧化硫、氮氧化物的减排措施。在近年来大气霾污染频发的背景下,硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物等是高浓度气溶胶的主要成分,但对这些成分前体物的控制方向一直不是十分明确。这次污染发生后,王跃思团队着手研究这个问题。

“高浓度氮氧化物的存在,可以激发二氧化硫向硫酸盐的快速转化。”2014年,王跃思团队提出了“氮氧化物中心说”这一科学假说。

王跃思和团队成员发现,北京当时的污染状况,其实是上世纪50年代前后英国伦敦和美国洛杉矶的加和体。“英国伦敦,大量使用蒸汽机,烧煤产生的二氧化硫形成酸雾,对人体造成伤害;美国洛杉矶,工业和汽车尾气排放大量的氮氧化物,形成的包括臭氧在内的污染物,对城市环境危害很大。而我们,这两个问题都有。”

“真没想到,我们也惊呆了。”成员们研究发现,在京津冀地区,大量燃煤燃烧排放二氧化硫,而工业和汽车尾气排放的氮氧化物,二者在沙尘的媒介下,又触发了二氧化硫向硫酸盐的快速转化,这样一来,气体就变成了颗粒物,重霾污染就来了。

这就是王跃思团队提出的“氮氧化物中心说”。在北京重霾期间,高浓度氮氧化物的存在,极大地推进气态二氧化硫向颗粒态硫酸盐的转化,氮氧化物在大气污染形成中有着独特的重要作用。可单凭外场观测,只能知道反应物和产物,内部过程像黑盒子,无从得知。烟雾箱实验模拟,必不可少。

“怎么没有反应?真是奇怪!”团队成员开始做烟雾箱实验,可是他们把氮氧化物和二氧化硫两类气体放一起时,竟然没有一点反应,“跟我们想象的完全不一样,我们以为肯定会反应成硫酸盐。”

一次实验失败,再接着来第二次、第三次,但两个多月过去了,第100次实验都做完了,还是没有出现预期的反应。“是不是缺点什么?”大家都在琢磨。

突然一天,有人提出,“沙尘!北京有沙尘啊,怎么把它忘了!”果然,一加入沙尘“种子”,细颗粒物污染“哗”就爆发了,跟炸弹爆炸一样来势凶猛。这一“炸”,把大家“炸”兴奋了!

实验证实了观测的结果符合北京市的实际情况,加上一次次详实的实验模拟数据和数值模拟结果,在众多诱发霾污染的前体物中,将优先控制的目标锁定为氮氧化物的“氮氧化物中心说”,从假说上升到了科学理论!

机动车排放氨气促进颗粒物生成

在我国,汽车尾气排放的氮氧化物,触发了燃煤产生的二氧化硫向颗粒物硫酸盐转化。但仍有一个重要的问题:怎么促成转化,究竟是什么在起作用?王跃思团队发现了一个新的氨气来源。

氨气是一种碱性气体,几乎是大气中唯一一种碱性气体,正是因为它的存在,硫酸和硝酸中和变成了硫酸盐和硝酸盐,气体变成了颗粒物。也就是说,如果京津冀区域没有氨,颗粒物污染也不会那么严重,二氧化硫和氮氧化物也就可能作为气体消散了。“这点真是很要命!”

氨气从哪来?一般认为,
70%以上的氨都是从农牧业来的,农业化肥使用挥发大约能占30%,畜牧业养殖占40%,人体占9%。卫星观测发现,在整个华北地区,氨的浓度越来越高。可对农牧业的现状进行分析,发现农牧业的活动水平是下降的,应该会导致氨的排放量下降。大家一时间也弄不清楚究竟是怎么回事。

农业的氨怎么跑到城里来了?城市氨气为什么逐年升高?王跃思团队提出可能有未知的氨气来源,而且这一来源极有可能与燃烧过程有关。

质疑的声音也纷纷跃起。“汽车尾气和燃煤等燃烧过程排放的氨仅占很小的部分。”一位专门研究汽车工业的专家如是说。课题组成员之间因此争论不休,各不让步,整个课题研究一度因为这个问题搁置。

但王跃思不信,“我在国内外的文献资料上,确实是看到过燃烧过程排放氨气”。后续团队用同位素分析法,终于论证了氨的来源。“在重污染期间,氨并不是主要来自农牧业,而是来自工业化石燃料燃烧过程和机动车排放,在重霾期间,这个比例可以达到80%甚至90%。”这个结论的提出和系列证实过程,不仅让整个团队惊讶,国内外同行专家也心服口服。

随后,好消息接踵而来。

课题组广州的同事去广州的珠江隧道做实验。“隧道里面只有汽车,很好得出结论。”一经检测,果然汽车尾气是排放氨的,隧道里面测出的氨的浓度,比外面高出几十倍!课题组北京的同事,测定了煤炭散烧过程排放的氨气,发现我国燃煤散烧排放的氨气是国外的50倍左右。

“燃烧过程排放了大量的氨。”证实了!

应当让颗粒物和臭氧浓度协同下降

破解了雾霾的真身,各项治理措施就有了针对性,效果也更加明显。

近年来,北京市大力压减燃煤,燃煤总量已经低于500万吨,二氧化硫年均浓度稳定保持在个位数;严控移动源污染,降低氮氧化物排放,仅去年就查处了32.5万辆次超标重型柴油车,是前一年的5.6倍;治理扬尘和挥发性有机物,利用科技手段提高监管,有序退出一般制造业和污染企业……

连续5年的大气综合治理,到2017年底,北京市的PM2.5年均浓度从2013年的89.5微克/立方米下降到了58微克/立方米;2018年北京继续开展蓝天保卫战,PM2.5年均浓度降至51微克/立方米。

“可以说,通过这些年,颗粒物治理已经走上了‘快车道’,事实也证明咱们治理的方向和措施是正确的。接下来,就要解决臭氧问题了。”王跃思说,目前以至于未来很长一段时间的研究,都得集中在臭氧治理上。

臭氧治理又是一个大难题,像欧美等发达国家,至今都还未能解决臭氧问题,臭氧浓度仍会出现超标的情况。“他们关于颗粒物的问题在上个世纪90年代就解决了,颗粒物浓度已经能做到不反弹,但臭氧还不行。”

王跃思团队提出,为了让北京的颗粒物浓度进一步下降,未来也要通过调控臭氧来实现,使得颗粒物和臭氧浓度协同下降。“现状是颗粒物浓度下降了,但臭氧起来了,我们要研究PM2.5和臭氧的协同控制措施,要控制臭氧的同时还不能让颗粒物浓度反弹,这是一个大难题,也是一个更漫长的过程。”

臭氧的治理为何这么难?王跃思回答:“因为有很大的不确定性。”原来,臭氧产生靠的是氮氧化物和挥发性有机物这两种前体物。但有意思的是,这两种前体物很“特别”。氮氧化物下降的时候,臭氧浓度反而会升高,“它俩是非线性关系,是一条抛物线,氮氧化物得降低到特别低的时候,臭氧才会下降”,王跃思说,“我们现在还在抛物线的前半段,也就是前坡,得到了后坡,才能实现。”

挥发性有机物和臭氧的关系也很奇妙。挥发性有机物越高,臭氧就越高,但反之挥发性有机物降低了,臭氧却并不降低。

说起这个,王跃思也哭笑不得,因为挥发性有机物的种类实在太多了,大气中有300多种,“你把前10种影响大的解决了,马上就有后10种来替补,永远有应接不暇的替补。”

“所以,臭氧是让我们头疼的一个难题,需要继续深入研究。”王跃思说,今年北京市就要开始协同控制PM2.5和臭氧,“颗粒物浓度做到不反弹,也就算成功了一半。”

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姓名:骆倩雯 工作单位:

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