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復旦學者發現大氣污染新粒子成因
發布時間:2018-07-30   點擊次數:656次

來源:新京報(北京)

近年來,霧霾進入公眾視野,PM2.5指數和溫度一樣,成為人們每天出門前必須考察的“項目”,空氣凈化器也漸漸成為標配家電。

霧霾的研究、治理也全面展開,近幾年中國科學家取得了不少成果,但霧霾成因一直是存在爭議、不易攻克的難題。

近日,復旦大學王琳科研團隊,在這個難題上跨出了重要一步。污染城市空氣的納米微細粒子是怎樣從不可勝數的空氣分子中形成的?他的團隊把這件事解釋清楚了。

該科研團隊發現并證實了我國典型城市上海大氣中的硫酸-二甲胺-水三元成核現象,揭示了上海大氣污染納米微細粒子形成,也就是所謂大氣新粒子形成的化學機制。這為我國大氣顆粒物污染防治政策的制定提供了新的科學證據。

【釋疑1】

什么是大氣污染新粒子?

工廠汽車等排出的氣態污染物轉變成的固體顆粒物

很多人認為,工廠和汽車尾氣排放是造成PM2.5顆粒物污染的主要原因之一,這其實是由人類活動或者自然活動所帶來的大氣顆粒物直接排放,在研究者的“術語”中被稱為“一次排放”。除了“一次排放”,空氣中還時常發生著顆粒物的“二次形成”。

“二次形成”是指排放的氣態污染物轉變成固體顆粒物的過程。人類活動排放的大量氣態污染物如二氧化硫SO2、氮氧化物NOx、氨氣NH3、揮發性有機污染物(VOCs)等,在大氣中被氧化產生硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和二次有機氣溶膠(SOA)。這些新生成的細顆粒物是大氣中PM2.5的重要來源。

“范圍內,二次顆粒物貢獻率在20%-80%之間,在我國中東部地區常常高達60%,在成霾時往往二次顆粒物所占比例更高。”2014年中科院發布的《2014科學發展報告》指出。

王琳介紹,相較于“一次排放”,“二次形成”的過程較為復雜。其形成過程大致分為兩種:一種是讓大氣中顆粒物變得更“重”,另一種是變得更“多”。“我們課題組目前主要關注變‘多’的過程,研究城市空氣中的大氣新粒子是怎么形成的。”王琳說。

“二次形成”讓大氣中顆粒物“變多”的過程,就是大氣中部分氣體分子隨機碰撞,通過分子間作用力或化學鍵生成分子團簇,分子團簇的進一步生長則形成納米微細粒子,也就是大氣新粒子;這些納米微細粒子繼續生長,則造成PM2.5污染。

但具體到大氣新粒子形成事件的化學與物理機制,一直是一個未解之謎。

【釋疑2】

霧霾成因的研究難在哪?

從133倍于地球人口數的氣體分子中找出關鍵兩分子

這個未解之謎,是大氣化學研究領域的難點之一。

王琳表示,通過測量3納米以下顆粒物濃度來判斷是否發生了新粒子形成事件已經很難了,還要想辦法把與這一過程相關的氣態前體物和分子團簇的化學組分測出來,再識別其中哪些分子和分子團簇對這一事件有著比較直接相關的貢獻。“從測量到識別再到形成機制的推導,每一步驟的推進都是‘難上加難’的突破。”

2014年3月到2016年2月,利用上發展的納米顆粒物粒徑放大技術,王琳團隊針對這一難題在上海開展了長達兩年的連續大氣觀測,積攢的數據達到幾百G。2016年3月到2017年7月,他們又花了一年半的時間,完成對收集來的海量數據的系統整理和深入分析。

后,團隊發現并證實硫酸-二甲胺-水三元成核機制,可用于解釋我國典型城市大氣中的大氣新粒子形成事件。

對于這項工作,王琳這樣比喻:“相當于從133倍于地球人口數的氣體分子中找出了關鍵的2個,一個是硫酸分子,另一個是二甲胺分子,它們碰到一起,就可能發生大氣新粒子形成事件了。”

【釋疑3】

新發現對治霾有何幫助?

針對性地控制化學物種,降低顆粒物濃度

在中國典型的城市環境中,除了加強對污染物一次排放的監測和管理,對污染物的二次形成也應予以同樣程度的關注和重視。

王琳認為,得益于此項研究中提出的化學機制,參與大氣新粒子形成過程中的關鍵化學物種將得到更有針對性的控制,從而有望有效降低空氣中顆粒物的數量濃度,減輕大氣顆粒物污染。

另外,從更大維度來看,將這一機制運用于氣候模式中,能更好地模擬大氣顆粒物乃至云凝結核的數目,更好地理解整個地球的氣候變化趨勢。

談及今后的研究,王琳希望,在現有硫酸-二甲胺-水三元成核化學機制框架下,能進一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的前體物主控因素,理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關系,從而助力國家推出更有針對性的污染防控措施。

鏈接

2014年 中科院氣溶膠化學與物理重點實驗室與瑞士保羅謝勒研究所共同署名發表論文,發現重霾污染中二次有機氣溶膠的定量貢獻:二次氣溶膠對PM2.5平均貢獻為30%-77%,這是發現二次反應對重霾的作用。

2016年12月21日 清華大學環境學院博士生鄭光潔、賀克斌院士等學者在《科學進展》聯合發表研究長文,揭示了重霾污染期間顆粒物中硫酸鹽迅速生成的化學機制。

該研究發現,在我國華北地區,大氣顆粒物表面的“結合水”中可以溶解的二氧化氮是經典yun水環境的約50倍,這種高濃度的二氧化氮環境,可以使二氧化硫迅速轉化為二次氣態污染物硫酸鹽。這是華北地區硫酸鹽形成的主要路徑。

2017年4月26日 國wu院常務會上,李克強重申要切實把霧霾成因機理搞清楚,確定開展由環保部牽頭,科技、中科院、高校、農業、工信等多部門和單位協作的“集中攻關”。

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