“中国霾中性,比伦敦雾安全”遭吐槽:论文第一作者这样说

日期:2016-11-23 14:52:38编辑作者:申博亚洲
△中国霾和伦敦雾△中国霾和伦敦雾

  11月18日,一篇《国际科研团队:中国霾是中性的,与当年伦敦夺命大雾成分不同》的报道,在网上炸开了锅。这项国际科研团队里的中国专家是谁?中国霾真的因为“中性“而安全吗?中外雾霾成分和成因究竟有何不同?

  北京科技报/“科学加”客户端记者第一时间联系到了该论文的第一作者——中国科学院地球环境研究所王格慧研究员。他为本报独家揭示了伦敦夺命雾霾的成因,并全面解释了导致中外雾霾的具体化学反应过程。

  中国霾、伦敦雾到底有哪些不同?

  中国霾是伦敦雾和洛杉矶光化学污染结合体

  “我知道这篇论文被接受,将发表在《美国国家科学院院刊》上,但直到你(记者)联系我,我才注意到大家都在关注论文中提及的伦敦雾酸性,中国霾中性的事情。”王格慧说,这次他们联合了北京大学、中国科学院大气物理研究所、中国环境科学研究院,以及美国、以色列、英国等国家相关科研单位的专家共同开展了这项工作。他表示,目前网络上对论文中内容的相关报道,存在多处表述内容不准确不完整的地方,有待澄清。

  提到雾霾,人们很容易想到中国霾和伦敦雾。60年前,英国历史上发生的一件最严重的空气污染灾难-伦敦雾,它也是有记录以来最可怕的一个烟雾事件。1952年12月5日,当伦敦上空被雾霾笼罩时,起初伦敦市民并不以为然,因为他们早就习惯了“烟云缭绕”的生活。然而,几天后,伦敦的很多地方能见度不足1米,交通陷入瘫痪,上万人出现呼吸问题。当年,这场持续5天的伦敦雾霾事件,最终导致1.2万人死于空气污染。有媒体曾这样描述当时的场景:“浓重的雾霾吞噬了汽车,车速甚至不如秉烛前进的行人;电影院被迫关门,因为能见度还不到前几排;歌唱家因为突发咽喉不适而无法登台演出;肮脏的雾霾钻入室内,也钻入伦敦人的肺里,大批心脏病、哮喘和支气管疾病患者因得不到及时治疗而死去。”

  伦敦雾致命的原因在于当时伦敦工厂和居民大量燃煤排放,大气中存在高浓度二氧化硫和氮氧化物,在浓雾天气条件下,雾滴上发生二氧化硫氧化,生成大量硫酸。由于雾滴直径在数十微米,其体积比灰霾粒子大2-3个数量级,因此,所形成的硫酸被高度稀释,雾滴并没有显现强酸性。但是在中午时分随着气温升高,雾滴上水汽蒸发,雾滴直径由数十微米变小为1-2个微米,硫酸被高度浓缩,产生大量强酸性气溶胶,从而引发大规模呼吸道疾病,导致三周内数千人死亡。

  60年后,中国的许多城市面临雾霾,并且“中国霾”的问题普遍而持久。众所周知,雾霾是多种因素造成的综合结果。以燃煤为主的能源结构、升级滞后的油品、城市建设中的大量扬尘,以及汽车尾气等等,都是空气污染的“罪魁祸首”。

▲11月18日,北京雾霾傍晚再次加重,造成交通严重拥堵▲11月18日,北京雾霾傍晚再次加重,造成交通严重拥堵

  “然而,目前一些报道中,对于伦敦雾和中国霾的异同还没有完全说清楚。”王格慧解释到,伦敦雾与中国雾霾有相同的过程,这里是指二者在雾霾期间,二氧化硫在颗粒物或者雾滴上被二氧化氮等氧化剂氧化形成硫酸盐的液相化学机制是一样的。但是,伦敦雾事件是发生在雾滴上,而中国是发生在灰霾粒子上,雾滴体积远大于灰霾粒子。

▲二氧化硫液相氧化机制(图A表示伦敦雾事件;图B代表中国霾;图C表示:北京雾霾从清洁天到雾霾天的形成过程(其中:绿色代表二次有机气溶胶,蓝色代表硝酸盐,红色代表硫酸盐,黄色代表铵盐,它们之间的协同效应)  ▲二氧化硫液相氧化机制(图A表示伦敦雾事件;图B代表中国霾;图C表示:北京雾霾从清洁天到雾霾天的形成过程(其中:绿色代表二次有机气溶胶,蓝色代表硝酸盐,红色代表硫酸盐,黄色代表铵盐,它们之间的协同效应)

  “中国霾中性”主要是与英国伦敦烟雾事件期间的大气颗粒物相比,中国灰霾粒子的酸碱度(pH值)偏中性。伦敦当时污染物浓度远远高于我国现在,并且大气中存在大量强酸性粒子,容易造成急性呼吸系统疾病,尤其是对本身患有慢性呼吸道疾病的人群,影响更为严重。事实上,空气污染是全世界尤其是发展中国家普遍面临的问题,空气污染物(比如灰霾粒子)会对人体健康造成长期损害。

  在我国,空气中有大量的氨气存在,硫酸盐形成过程中与氨结合,中和了酸性粒子,变成了中性。这里的中性是指灰霾粒子的酸碱度。

▲该项研究提出的两个反应方程式之一,即中国霾里硫酸盐形成的化学方程式,也是中国霾中性的主要原因  ▲该项研究提出的两个反应方程式之一,即中国霾里硫酸盐形成的化学方程式,也是中国霾中性的主要原因

  与伦敦雾相比,目前我国雾霾是煤烟型和机动车尾气型的复合污染,既有洛杉矶光化学污染特征,也有伦敦1952年烟雾事件的煤烟型特征。

  冬季灰霾粒子暴增的原因是什么?

  不被重视的“氮氧化物氧化二氧化硫”

  要了解雾霾,首先需要知道硫酸盐。硫酸盐是大气气溶胶PM2.5(也称作大气细粒子)中主要组分之一,它对云的形成、酸雨、能见度和人体健康有着重要影响。大气中的硫酸盐主要是二氧化硫经光化学氧化形成。中国雾霾期硫酸盐的形成机制非常复杂,在高相对湿度条件下,还需要氨气的中和作用,并且需要在颗粒物上,二氧化硫被二氧化氮迅速氧化就会生成硫酸盐,而硫酸盐反过来又会促进硝酸盐、二次有机气溶胶的形成,三者之间相互协同,从而进一步加剧雾霾污染。

  这次研究能揭开伦敦雾致命真相,并非有心插柳。事实上,当时做这项工作,主要目的是为了了解我国雾霾期硫酸盐暴增的原因,而伦敦雾的研究只是“碰巧”为之。传统理论对大气中二氧化氮氧化二氧化硫的效应并未给予足够重视,当前国内外学者对这一化学反应有所认识,但是缺乏直接证据。此项工作首次通过外场观测并结合实验室烟雾箱模拟发现,二氧化氮可在颗粒物(大气气溶胶液相)上快速氧化二氧化硫,生成硫酸盐。理清了这一化学反应过程,他们就开始查阅50年代英国学者的一些观测数据并开展相关研究,进而推测致命伦敦雾的原因。

▲该项研究提出的关于伦敦雾里生成硫酸盐的化学反应方程式,也是伦敦雾酸性的主要原因▲该项研究提出的关于伦敦雾里生成硫酸盐的化学反应方程式,也是伦敦雾酸性的主要原因

  为啥北京天气状况改善不明显?

  灰霾粒子无机盐增多消光能力强

  中国霾的成分有硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机物、黑碳,以及矿物粉尘等。中国雾霾的元凶有燃煤电厂、工业、机动车等燃烧化石燃料以及工业制造等过程排放的二氧化硫、氮氧化物以及挥发性有机物,也有居民燃煤等原因。此外,道路和建筑扬尘也是灰霾粒子的重要来源。

  “近几年,我国灰霾的成分基本没变,只是灰霾相对组成上发生了变化。”王格慧说,目前全国多处观测数据显示,二氧化硫显著下降,对应的硫酸盐也在下降。但是现在很多地区却出现了硝酸盐高于硫酸盐的现象。

  在这次研究中,相关人员梳理了北京2011-2012年冬季雾霾。与五年前相比,北京灰霾粒子PM2.5浓度在降低,但是由于无机盐的相对含量在增多,灰霾粒子的吸湿性能在增强,导致消光能力增强,因而从视觉感受上看,能见度在降低,灰霾改善似乎不够显著。

▲西安和北京冬季灰霾期间硫酸盐形成与演化  (A、E硫酸盐浓度时间变化序列:其中,黑色:硫酸盐大于20微克每立方米,代表污染天;橘黄色表示硫酸盐10-20微克每立方米,代表由清洁向污染的过渡时期;亮蓝色表示:硫酸盐小于10微克每立方米,代表清洁天)  (图B、F分别是西安和北京的细粒子化学组成,其中绿色代表有机物;红色代表硫酸盐盐;蓝色是硝酸盐,黄色是铵盐,粉红色是氯盐)  (图C、G是不同污染条件下,二氧化硫氧化形成硫酸盐的转化效率与相对湿度之间的关系)  (图D、H是污染期、过渡期和清洁期三个时段的污染二氧化硫、氮氧化物、氨气三种污染气体浓度和相对湿度)    以北京为例,与2011—2012年相比,二氧化硫当前在更低相对湿度下就可以快速转化为硫酸盐,并且这个转化效率,从空间上来看,北京要比西安高,是因为灰霾粒子中无机盐的相对含量增加,导致灰霾粒子吸湿性能增强。他们通过西安和北京外场观测发现:雾霾期高湿度下硫酸盐浓度迅速增加,二氧化硫在气溶胶液相转化成硫酸盐随着相对湿度的增加而呈指数型增长(图C,G),同期伴随着高浓度的氮氧化物和氨气(图D,H)。  ▲西安和北京冬季灰霾期间硫酸盐形成与演化 (A、E硫酸盐浓度时间变化序列:其中,黑色:硫酸盐大于20微克每立方米,代表污染天;橘黄色表示硫酸盐10-20微克每立方米,代表由清洁向污染的过渡时期;亮蓝色表示:硫酸盐小于10微克每立方米,代表清洁天) (图B、F分别是西安和北京的细粒子化学组成,其中绿色代表有机物;红色代表硫酸盐盐;蓝色是硝酸盐,黄色是铵盐,粉红色是氯盐) (图C、G是不同污染条件下,二氧化硫氧化形成硫酸盐的转化效率与相对湿度之间的关系) (图D、H是污染期、过渡期和清洁期三个时段的污染二氧化硫、氮氧化物、氨气三种污染气体浓度和相对湿度) 以北京为例,与2011—2012年相比,二氧化硫当前在更低相对湿度下就可以快速转化为硫酸盐,并且这个转化效率,从空间上来看,北京要比西安高,是因为灰霾粒子中无机盐的相对含量增加,导致灰霾粒子吸湿性能增强。他们通过西安和北京外场观测发现:雾霾期高湿度下硫酸盐浓度迅速增加,二氧化硫在气溶胶液相转化成硫酸盐随着相对湿度的增加而呈指数型增长(图C,G),同期伴随着高浓度的氮氧化物和氨气(图D,H)。

  王格慧强调,这项工作的目的是为了搞清楚我国京津冀等地冬季硫酸盐暴增的机制,从而为有效治理提供科学依据。这次根据新认识,他们认为当前我国在控制大气二氧化硫有效减排的同时,亟需进一步加强氮氧化物、氨气和挥发性有机污染物减排控制。

  怎样才能减排氮氧化物?

  与煤炭消费量密切相关

  为啥要减排氮氧化物?因为酸雨、灰霾、光化学污染、水体富营养化等背后,都有它的身影。

  大气里的氮氧化物来自哪里?有什么危害呢?环境保护部总量控制司司长刘炳江曾介绍,从氮氧化物排放源看,电厂占40%,机动车占30%,水泥行业占20%,生活及其他工业排放占10%。

  刘炳江表示,氮氧化物排放与煤炭消费总量紧密相关。比如2011年,一方面煤炭消费总量增加了3亿多吨,是历史上增加最多的一年;另一方面,脱硝工程刚刚上马,脱硝电价政策未出台,运行脱硝设施的技术人员短缺,效益还没有发挥,在这样的背景下,氮氧化物排放的大幅增长在所难免。

  对于氮氧化物的危害,中国环境科学研究院副院长柴发合在2014年接受《人民日报》时也给出了全面的解释。他介绍,氮氧化物是涉及环境问题最多的污染物。首先,氮氧化物包括工业直接排放的一氧化氮,它进而生成二氧化氮,二氧化氮本身是一种大气污染物;其次,氮氧化物与水汽结合形成硝酸根,是酸雨的主要成分之一;由于氮氧化物本身含氮离子,通过沉降等作用成为水体营养物,是水体富营养化的罪魁之一;氮氧化物在大气中是PM2.5的前体物和臭氧的前体物,不仅是霾的成因之一,也会诱发光化学污染。

  有人认为,控制氮氧化物排放,可收到“一石五鸟”的效果——有益于生态系统,防治水体富营养化、减少臭氧生成、减少颗粒物灰霾、减少氮氧化物本身的污染。

  “然而目前我国二氧化硫的污染形势要比氮氧化物严峻得多,控制二氧化硫排放是当务之急。”柴发合觉得,从国际经验看,也是先减排二氧化硫,再控制氮氧化物。

  事实上,我国也在积极控制减排氮氧化物。记者了解到,在我国的“十二五”规划的约束性减排指标里就新增加了氮氧化物和氨氮。2015年由环保部编制的《国家环境保护“十三五”规划基本思路》里,也再次提出继续实施全国二氧化硫、氮氧化物、化学需氧量、氨氮排放总量控制,进一步完善总量控制指标体系。对此,环保部规划财务司司长赵华林解释,十三五期间,为实现空气质量改善,需要二氧化硫、氮氧化物、一次颗粒物(工业烟粉尘)、挥发性有机物等的共同减排。我们也将在全国层面坚持不懈开展大气污染综合防治的同时,由国家制定分区域、有差别的空气质量目标,各地区依据基于排放清单等法规推荐方法确定达到空气质量目标的多污染物排放控制要求,并制定相应的工作方案。

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