揭开北京雾霾“真身”

2019-11-05 10:10 来源:未知

揭开北京雾霾“真身”

必威体育官网,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。

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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