wiki ·

霾为什么说来就来?主要还是怪汽车尾气

  最新研究表明,空气中硝酸铵的快速生成,可能是导致雾霾的主要原因。而控制汽车尾气排放,是减少硝酸铵生成的最简单措施。

  

  迷雾中的女孩 | 图虫创意

  作者 | 宋秦平 (日本名古屋大学环境学博士)

  编辑 | 张昊

  你是否有这样的疑惑?冬日里,明明前一天还碧空万里,翌日霾说来就来。如果去看气象数据,就更奇怪:各种主要大气污染物指标明明都在下降。这是怎么回事?

  最近(5月13日),发表在《自然》上的一项最新研究为我们揭示了其中奥秘:空气中两种化学物质——氨气硝酸气体的相遇 ,是造成雾霾的重要原因。它们凭借超快的反应速度,成为致霾的主力。

  城市中的空气杀手

  霾的本质是细颗粒物污染,也就是俗称的PM2.5(直径小于2.5微米的颗粒物)。但PM2.5不会凭空生成,而是从一个细小的核开始,慢慢长大变成雾霾颗粒。

  空气中的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等气体,为核的形成提供了可能。它们通过相互之间的化学反应,生成直径仅几个纳米的微颗粒,再慢慢长到稳定(PM2.5)的尺寸。

  在这些气体中,氨气(挥发性有机物的一种)被认为是雾霾形成的关键。

  作为大气中唯一的碱性无机物,它会优先与二氧化硫(可生成硫酸)反应生成稳定的硫酸铵;再与氮氧化物(产生的硝酸气体)反应,生成硝酸铵颗粒。

  硝酸铵具有半挥发性,在高温情况下,会分解变回氨气和硝酸气体;但在冬季的冷空气中,则可能大量生成。——这正和雾霾形成的季节对应。

  之前,人们普遍认为,硝酸铵并非大气污染的“真凶”,因为它的量并不大,顶多算是个“从犯”。

  但新研究发现,硝酸铵致霾不是靠量,而是靠极快的生成速度。

  研究人员(在实验室条件下)观察了冬季许多城市的大气颗粒物通过硝酸铵凝结生长的情况,结果发现,它们的爆发式增长可以在特大城市瞬间发生。

  

  霾中的日本大阪 | 作者拍摄

  “神速”生成的秘诀

  正常情况下,大气中的小分子会逐渐聚集成小团簇,然后进一步吸附小分子,直至形成稳定的颗粒物。

  但城市中颗粒物浓度本身很高,这些团簇在生成之前便会受到现存颗粒物的影响,绝大多数会被其吸附,与之融合,而不会“另起炉灶”。

  所以,如果新颗粒物不能在短时间内大量生成,就会成为现存颗粒物的一部分,仅会增大其尺寸,而不会增加浓度。这对空气质量显然是有利的:颗粒大而少,较不容易引发雾霾。

  但实际的新颗粒形成率却高的惊人。研究发现,在已知的冬季大城市的基本气候条件下,硝酸铵可以帮助各类团簇快速生长,在被其他现存粒子融合之前,就达到稳定粒子的大小。

  这都因为硝酸铵对温度的强依赖性。

  在不同温度下,硝酸铵会在气体和固体之间形成平衡。当温度较高时,它会偏向变成气体(分解成氨和硝酸),当温度较低时,则偏向成为固体。

  实验显示,当温度低于5℃时,空气中的氨气和硝酸气体就很容易越过平衡,快速凝结生成直径数个纳米的固体小颗粒。并且,在不同温度区间,它们的行为也有所不同:

  在零下15°C到(零上)5℃之间,这些硝酸铵小粒子,不会独自积累形成颗粒物,而是会加入到其他小团簇上,助其迅速生长。在零下10℃,这些小团簇的生长速度比5℃时要快200倍。

  而在低于零下15℃时,硝酸铵的生成更加有利,它们会独挑大梁,直接形成以硝酸铵粒子为核的小团簇。这一过程可能发生在热带对流云层顶部的潮湿空气中。

  城市上空突变的环境

  可以看出,硝酸铵粒子的形成,需要较低的气温条件。但有时候,城市整体气象条件并不利于粒子的生成,霾还是会不期而至。

  这又是怎么回事呢?还是一个平衡的问题。

  城市中高低不一的建筑、纵横交错的街道、以及川流不息的机动车,形成了不均匀的污染物排放。而城市上空的气温,也因为复杂的城市构造和人为活动,出现极大的不均匀和不确定性,经常是几米的范围内就可能出现几度的温度变化。

  这都为硝酸铵的生成创造了条件。研究显示,氨和硝酸生成硝酸铵的快速反应几分钟便可完成,城市内不同地点的骤然降温,短短几分钟内就可产生大量新颗粒物。

  这样,在冬季整体气温偏低的情况下,雾霾频繁造访就毫不奇怪了。

  

  城市中不均匀的污染物和不均匀温度,形成大规模涡流 |ref2

  绿色出行最利蓝天白云

  我们不可能改变城市结构,也无法控制城市气温。但是在污染物排放上,还是有一定的努力空间。

  氨气的主要污染源来自农业,包括种植业的氮肥、畜牧业的牲畜排便等;而硝酸则来自氮氧化物的光化学反应,其主要污染源就是汽车尾气。

  二者相比,最好控制的是硝酸,这也印证了为什么车辆限行后,空气明显好转了。因为氮氧化物少了,硝酸少了,硝酸铵生成的可能性也就降低了。

  硝酸铵对雾霾的形成具有极强的加速效应,而PM2.5对人体健康具有很大的危害。为了更好的呼吸,我们日常生活中就应有意识地减少含氮化合物的排放,比如,尽量绿色出行,以公交代替私家车,以自行车和步行代替机动车等。

  相信在大家共同努力下,蓝天白云会离我们更近。

  参考文献

  [1] 国家大气污染防治攻关联合中心:区域空气质量改善明显,但大气污染防治仍任重而道远。https://mp.weixin.qq.com/s/5KoDFQrqtmJ4OXiL3LWlug

  [2] Wang M, Kong W, Marten R, et al. Rapid growth of new atmospheric particles by nitric acid and ammonia condensation: data resources[J]. 2020.

  [3] Harrison R M, Pio C A. An investigation of the atmospheric HNO3–NH3–NH4NO3 equilibrium relationship in a cool, humid climate[J]. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 1983, 35(2): 155-159.

  [4] Young D E, Allan J D, Williams P I, et al. Investigating the annual behavior of submicron secondary inorganic and organic aerosols in London[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2015, 15(11): 6351-6366.

  [5] Coe H. Airborne particles might grow fast in cities[N]. Nature News and Views, 2020.

  [6] Griffith S M, Huang X H H, Louie P K K, et al. Characterizing the thermodynamic and chemical composition factors controlling PM2.5 nitrate: Insights gained from two years of online measurements in Hong Kong[J]. Atmospheric Environment, 2015, 122: 864-875.

参与评论