雾霾真凶揭晓?复旦大学这篇最新Science告诉你答案!

碳道小编 · 2018-07-21 18:07 · 阅读量 · 204

摘要:穹顶之下的雾霾,是困扰现代城市人的头疼问题。北京时间2018年7月20日凌晨,Science上线了复旦大学王琳教授课题组及其合作者的最新成果,为这一问题的起源提出了新的见解,揭示了有机物与硫酸在大气新粒子的形成与增长中的重要作用,有望对解决中国城市的雾霾指明方向。

课题背景介绍

实际上,我们常说的雾与霾是不同的。雾的基本成分是水。而霾,可以称之为固体颗粒物,是由大气中的尘粒、盐粒、烟粒等等组成,包含那些直径在2.5微米以下的细颗粒物,也就是常说的PM2.5。

雾霾到底怎么形成的?

PM2.5的来源主要包括一次排放和二次转化。一次排放就是工业、交通、扬尘等直接排出来的污染物,包括二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、氨、挥发性有机物(VOCs)、各种金属元素、碳黑/元素碳(BC/EC),氯等。

这些一次排放的污染物,很多还是气体状态,不是PM2.5。到了大气中发生复杂的反应,产生二次转化,使得气体污染变成固体颗粒PM2.5。

2014年,瑞士保罗谢尔研究所(PSI)和中国科学院地球环境研究所在Nature上发表文章,认为北京、上海和广州空气中高达四分之三的细颗粒物都不是来源于直接排放,而是通过二次转化,通过大气化学和物理过程完成气体到固体的转变,最后形成PM2.5的颗粒物。(Nature 514, 2014,218–222)。

2013年1月份北上广和西安的PM2.5的组成分析,图片来自:Nature 514, 2014,218–222

天生好奇的科学家就要继续追问,二次转化到底如何发生?气体到固体是怎么样的过程?

另一个令人困惑的问题是,基于以前的观测和理论结果,一般人们认为,大气新颗粒物的形成需要相对高的硫酸浓度以及较低的悬浮物浓度。这样,新成核的粒子长到数纳米之前,就不至于被其它悬浮物所捕获。也就是说,悬浮物浓度越低,就更容易发生气体到固体的转化,产生新颗粒物。

但是这个理论在解释中国的各大城市的空气污染成因遇到了困难。因为,北京、上海、广州、南京等地的空气质量明显是重污染区,其悬浮物浓度那么高,还能源源不断地产生二次污染新颗粒物,贡献爆表的Pm2.5的数值。这又是为何?

今天这篇Science文章,就回答了这个问题。

全文亮点

  1. 调查了上海的二次颗粒物的形成原因,在分子尺度,观测了硫酸前躯体和初始颗粒团簇的形成。

  2. 高的二次颗粒物形成速率,与硫酸-二甲胺(DMA)-水成核有关,此团簇包含硫酸二聚体以及H2SO4-DMA团簇。

  3. 团簇动力学模拟显示,在3 nm以下颗粒物的形成过程中,硫酸的高浓度使得悬浮物浓度较高时,新的颗粒物依然能不断形成。而随后,有机物的凝结使得颗粒物的变大速率进一步加快。

图文快解

图1 硫酸团簇(二聚体、三聚体和四聚体),硫酸--DMA团簇以及颗粒物形成的速率的关联。

要点:硫酸二聚体团簇浓度与颗粒物形成的线性关联。

图2 大气条件下和之前的实验室模拟条件下,硫酸浓度与颗粒物形成速率关联。

要点:酸-二甲胺(DMA)-水成核速率与硫酸浓度的关联,可以成功跨越实验室模拟条件与真实城市监测结果。

图3 大气污染事件下的颗粒物增长速率与计算模拟结果的比对。

要点:3 nm以下,高硫酸浓度模拟结果与观测值稍高,说明硫酸对成核贡献明显。3 nm以上,是有机挥发物导致颗粒物进一步快速长大。

小结

洛杉矶环境空气污染组成部分,半数由VCP挥发性化学品贡献。图片来源:Science

看到有机物对颗粒物长大的重要促进作用,小编也联想到今年上半年Science发表的另一篇文章,Brian C. McDonald等人发表在Science 的研究结果(Science, 2018, 359, 760-764, DOI: 10.1126/science.aaq0524),他们以洛杉矶为研究对象,阐明了香水、化妆品和日常洗涤剂之类家庭日用品的挥发性化学产品也是城市雾霾形成的重要污染来源。

总之,今天这篇Science工作通过先进的测量方法,得到了大气污染条件下的数据,且与之前前人报道的实验室模拟结果,进行了对照,所有证据都指向,硫酸与有机胺是气体到固体颗粒物转变的的罪魁。

作者简介

王琳,复旦大学本科、硕士,美国University of California, Riverside空气污染研究中心博士。现任复旦大学环境科学与工程系教授、副系主任。
曾入选中组部首批青年千人计划,及上海市浦江学者计划,获得中国自然科学基金委“优秀青年科学基金”资助,入选环保部首批“国家环境保护专业技术青年拔尖人才”。 王琳教授获英国皇家协会和英国医学科学院“牛顿高级学者基金”资助,兼任美国气象协会大气化学专业委员会委员(2012-2015),陆地生态系统-大气过程综合研究(iLEAPS)中国委员会委员,中国-澳大利亚空气质量科学与管理研究中心执委会委员。

王琳教授在国际高水平刊物Chemical Reviews, Nature Geoscience, PNAS, Environ. Sci. Technol., Atmos. Chem. Phys., Geophy. Res. Lett.等发表论文50余篇。他揭示了有机物在大气新粒子的形成与增长中起重要作用:发现大气中有机酸显著加强大气新粒子的形成,并在国际上首次实验室内证实有机物与H2SO4的非均相反应是大气新粒子增长的重要机制。


转自:研之有理

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