复旦学者发现大气污染新粒子成因

对治霾有这些帮助

时间:2018-08-06    来源:中国大气网

  近年来,雾霾进入公众视野,PM2.5指数和温度一样,成为人们每天出门前必须考察的“项目”,空气净化器也渐渐成为标配家电。

雾霾的研究、治理也全面展开,近几年中国科学家取得了不少成果,但雾霾成因一直是存在争议、不易攻克的难题。

近日,复旦大学王琳科研团队,在这个难题上跨出了重要一步。污染城市空气的纳米微细粒子是怎样从不可胜数的空气分子中形成的?他的团队把这件事解释清楚了。

该科研团队首次发现并证实了我国典型城市上海大气中的硫酸-二甲胺-水三元成核现象,揭示了上海大气污染纳米微细粒子形成,也就是所谓大气新粒子形成的化学机制。这为我国大气颗粒物污染防治政策的制定提供了新的科学证据。

【释疑1】

什么是大气污染新粒子?

工厂汽车等排出的气态污染物转变成的固体颗粒物

很多人认为,工厂和汽车尾气排放是造成PM2.5颗粒物污染的主要原因之一,这其实是由人类活动或者自然活动所带来的大气颗粒物直接排放,在研究者的“术语”中被称为“一次排放”。除了“一次排放”,空气中还时常发生着颗粒物的“二次形成”。

“二次形成”是指排放的气态污染物转变成固体颗粒物的过程。人类活动排放的大量气态污染物如二氧化硫SO2、氮氧化物NOx、氨气NH3、挥发性有机污染物(VOCs)等,在大气中被氧化产生硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机气溶胶(SOA)。这些新生成的细颗粒物是大气中PM2.5的重要来源。

“全球范围内,二次颗粒物贡献率在20%-80%之间,在我国中东部地区常常高达60%,在成霾时往往二次颗粒物所占比例更高。”2014年中科院发布的《2014科学发展报告》指出。

王琳介绍,相较于“一次排放”,“二次形成”的过程较为复杂。其形成过程大致分为两种:一种是让大气中颗粒物变得更“重”,另一种是变得更“多”。“我们课题组目前主要关注变‘多’的过程,研究城市空气中的大气新粒子是怎么形成的。”王琳说。

“二次形成”让大气中颗粒物“变多”的过程,就是大气中部分气体分子随机碰撞,通过分子间作用力或化学键生成分子团簇,分子团簇的进一步生长则形成纳米微细粒子,也就是大气新粒子;这些纳米微细粒子继续生长,则造成PM2.5污染。

但具体到大气新粒子形成事件的化学与物理机制,一直是一个未解之谜。

【释疑2】

雾霾成因的研究难在哪?

从133倍于地球人口数的气体分子中找出最关键两分子

这个未解之谜,是大气化学研究领域的难点之一。

王琳表示,通过测量3纳米以下颗粒物浓度来判断是否发生了新粒子形成事件已经很难了,还要想办法把与这一过程相关的气态前体物和分子团簇的化学组分测出来,再识别其中哪些分子和分子团簇对这一事件有着比较直接相关的贡献。“从测量到识别再到形成机制的推导,每一步骤的推进都是‘难上加难’的突破。”

2014年3月到2016年2月,利用国际上最新发展的纳米颗粒物粒径放大技术,王琳团队针对这一难题在上海开展了长达两年的连续大气观测,积攒的数据达到几百G。2016年3月到2017年7月,他们又花了一年半的时间,完成对收集来的海量数据的系统整理和深入分析。

最后,团队首次发现并证实硫酸-二甲胺-水三元成核机制,可用于解释我国典型城市大气中的大气新粒子形成事件。

对于这项工作,王琳这样比喻:“相当于从133倍于地球人口数的气体分子中找出了最关键的2个,一个是硫酸分子,另一个是二甲胺分子,它们碰到一起,就可能发生大气新粒子形成事件了。”

【释疑3】

新发现对治霾有何帮助?

针对性地控制化学物种,降低颗粒物浓度

在中国典型的城市环境中,除了加强对污染物一次排放的监测和管理,对污染物的二次形成也应予以同样程度的关注和重视。

王琳认为,得益于此项研究中提出的化学机制,参与大气新粒子形成过程中的关键化学物种将得到更有针对性的控制,从而有望有效降低空气中颗粒物的数量浓度,减轻大气颗粒物污染。

另外,从更大维度来看,将这一机制运用于全球气候模式中,能更好地模拟全球大气颗粒物乃至云凝结核的数目,更好地理解整个地球的气候变化趋势。

谈及今后的研究,王琳希望,在现有硫酸-二甲胺-水三元成核化学机制框架下,能进一步明确我国城市大气新粒子形成事件中的前体物主控因素,理解城市大气新粒子形成事件与雾霾形成的关系,从而助力国家推出更有针对性的污染防控措施。

链接

2014年 中科院气溶胶化学与物理重点实验室与瑞士保罗谢勒研究所共同署名发表论文,发现重霾污染中二次有机气溶胶的定量贡献:二次气溶胶对PM2.5平均贡献为30%-77%,这是首次发现二次反应对重霾的作用。

2016年12月21日 清华大学环境学院博士生郑光洁、贺克斌院士等学者在《科学进展》联合发表研究长文,首次揭示了重霾污染期间颗粒物中硫酸盐迅速生成的化学机制。

该研究发现,在我国华北地区,大气颗粒物表面的“结合水”中可以溶解的二氧化氮是经典云水环境的约50倍,这种高浓度的二氧化氮环境,可以使二氧化硫迅速转化为二次气态污染物硫酸盐。这是华北地区硫酸盐形成的主要路径。

2017年4月26日 国务院常务会上,李克强重申要切实把雾霾成因机理搞清楚,确定开展由环保部牵头,科技、中科院、高校、农业、工信等多部门和单位协作的“集中攻关”。