揭開迷“霧”中的重重秘密——國家自然科學獎獲獎項目解析我國空氣中細顆粒物形成機制及影響

近期，我國出現大范圍霧霾天氣，從京津冀地區到長三角地區，甚至再到珠三角地區，PM2.5都嚴重超標，一些地區PM2.5的最高測試值甚至達到每立方米1000微克，遠遠高于世界衛生組織所規定的細顆粒物指標。究竟是什么造成了霧霾漫天，復旦大學莊國順教授科研團隊花費10年時間，闡明了我國各類氣溶膠的時空分布、化學組成及其形成和轉化機制。1月18日，“中國大氣污染物氣溶膠的形成機制及其對城市空氣質量的影響”項目獲得2012年度國家自然科學獎二等獎。

高空的霾“造霧”能力更強

從科學意義上來說，所謂霧是指百分之百的水蒸氣凝結成水滴。但是水蒸氣成霧需要相對濕度達到400%，這種情況下，很難形成全國范圍內鋪天蓋地的濃霧，因為沒有那么多的水蒸氣。但是細顆粒物卻可以在較少的水汽中“大展宏圖”。莊國順介紹說，大氣中的相對濕度甚至不需要達到100%，細顆粒物就能“造霧”。而發生在高空的霾，“造霧”能力更強，細顆粒物在吸水的時候，能夠繼續膨脹。“比如相對濕度從90%到92%，細顆粒物體積也許能夠膨脹到8倍以上。”如果大氣當中還有大量人為硫酸鹽、銨鹽、硝酸銨、有機酸鹽等，就更容易使大氣中的細顆粒物膨脹，從而導致灰蒙蒙的一片天空。

細顆粒物并非從來就有，比如說地上掃起來的揚塵、沙塵、海浪吹出來的海鹽、森林大火產生的大量黑碳。過去幾千萬年來形成的天然氣溶膠一直在變化，但是始終處于一種平衡的狀態。但現在增加的是人為活動產生的顆粒物，包括工廠的排放和交通的排放。

莊國順介紹說，我國是世界PM2.5污染最為嚴重的地區之一。城市空氣質量面臨嚴重挑戰，二次氣溶膠、生物質燃燒和沙塵成為我國城市大氣污染和灰霾形成的三大成因，其中二次氣溶膠中包含著大量的硫酸鹽、硝酸鹽和有機氣溶膠。

細顆粒物可長途“奔襲”

這些硫酸鹽、硝酸鹽和有機氣溶膠如何造成全國范圍內的霧霾天氣？莊國順科研團隊對細顆粒物的運動軌跡進行了長期跟蹤調查，他們發現細顆粒物是可以長途奔襲的。10年來，科研團隊在我國的典型地區和亞洲沙塵傳輸途徑上設置了多個采樣點，從西部的新疆一直到東海，每個季度進行采樣，共采集了近2萬個氣溶膠樣品，并進行全面實驗分析，最終揭示了我國嚴重灰霾尤其是高濃度細顆粒物PM2.5的來源和形成機制。

眾所周知，我國有三大沙塵源區，分別是新疆的塔克拉瑪干沙漠、黃土高原，以及位于被蒙古的戈壁。這些沙塵在傳輸途中與污染物作用導致了碳酸鹽向硫酸鹽的轉化。正是它們之間相互作用形成的復合污染氣溶膠對我國大氣環境造成重大影響，比如上海細顆粒物PM2.5表面pH值僅為2.81，比非沙塵期間降低2個單位，表面酸度增加了100倍。

而大面積的有機氣溶膠、硫酸鹽、硝酸鹽和黑碳是能見度降低的直接影響因子。科研團隊進行了氣溶膠主要組分對光的衰減比例研究，發現有機氣溶膠（一部分是致癌物質）對光的吸收強度最大，衰減率可達47%。

機動車排放是霧霾形成主要原因

近年來，我國在節能減排上采取了一系列措施，全國范圍內電廠的脫硫脫銷工作都全方位地推進，可是為什么大氣環境卻沒有轉好？科研團隊研究成果顯示，大量的機動車尾氣排放是空氣中細顆粒物大大增加的首要原因，也是霧霾形成的主要因素。莊國順介紹說，目前上海機動車數量估計在500萬輛左右，北京更是達到了600萬輛，中小城市也正上演著堵車大片。機動車排放所占的比重已經跟工廠排放接近。汽車產業的高速發展，以及對排放標準的有法不依，已經嚴重傷害到了中國的大氣環境。

大量的細顆粒物對人體的危害是非常嚴重的，首當其中的是肺癌發生率會大大提高。莊國順團隊的工作還在繼續。他告訴記者，很多氣溶膠上有附著病毒、細菌，對公共衛生也會有很大影響，2003年的非典疫情就與此有密切關聯。他們未來研究方向將對此進行全方位研究。