減少二氧化氮與氨或是抑制中國霧霾形成的關鍵

減少二氧化氮與氨或是抑制中國霧霾形成的關鍵

科研圈

2016-12-07閱讀原文

包括中國科學家在內的國際研究團隊解開霧霾形成的關鍵化學過程。

圖片來源：phys.org

主要來源 美國德州農工大學

編譯 劉小鷗

審校 訪冬

對出門必備口罩的我們來說，「霧霾」這個詞已不再陌生。但對於60多年前的倫敦人而言，當「殺人霧」（即霧霾）悄然來到時，他們還一無所知。

近日，包括中國科學家在內的國際研究團隊揭開了1952年倫敦霧霾和當今中國霧霾的大氣化學過程。該研究已於近日發表在PNAS（論文信息見文末）。

「殺人霧」悄現倫敦

1952年12月，大霧籠罩了倫敦，這對「霧都」居民來說早已司空見慣。但接下來的幾天，情況迅速惡化——世界變得天昏地暗，一些地方能見度甚至不足米，城市交通癱瘓，上萬居民陸續出現呼吸問題，大量動物死亡。

至12月9日大霧消散時，已有至少4000人死亡，超過十五萬居民入院治療。而最近的研究估計實際的死亡人數超過12000人。

「1952年倫敦煙霧事件」直接促成了四年後世界上首部針對空氣污染治理的法案《清潔空氣法》的誕生。圖片來源：phys.org

這場致命的「殺人霧」又被稱為「1952年倫敦煙霧事件」，它至今仍是歐洲歷史上最嚴重的空氣污染事件，也直接促成了四年後世界首部針對空氣污染治理的法案《清潔空氣法》的誕生。

儘管人們知道燃煤排放很可能是該事件的主因，但過去60多年中，致命煙霧及污染混合的確切化學過程一直是個解不開的謎團。

從二氧化硫到硫酸顆粒

該研究的通訊作者、德州農工大學的張仁一教授介紹，人們很早就知道硫酸鹽是霧霾形成的重要原因。住宅及發電廠的燃煤釋放大量二氧化硫，隨後轉化為硫酸顆粒造成污染。

但困擾科學家的是，二氧化硫究竟是如何轉化成硫酸的？

研究團隊通過實驗室實驗及在中國的大氣測量發現了答案：這一轉化過程首先在自然霧氣條件下發生，燃煤的另一副產物——二氧化氮在該過程中起到了重要輔助作用。

同時，轉化過程的另一關鍵環節是酸性顆粒的產生，這些顆粒隨後會抑制轉化。自然霧中含有尺寸達數十微米的較大顆粒，形成的酸被有效稀釋。但霧霾中物質更為複雜，大的霧氣顆粒蒸發後留下了較小酸性霾顆粒，覆蓋了整座城市。

中國新「霧都」

不知從何時起，「霧都」已不再指那個遙遠的不列顛首府，取而代之的是我們周遭再熟悉不過的城市。全球污染最嚴重的20座城市中包含16座中國城市。2015年，獨立研究機構伯克利地球（Berkeley Earth）發表文章認為，空氣污染每天導致我國約4000人死亡，佔過早死亡案例總數的六分之一。

該研究表明，類似上述的化學過程目前在中國時常發生。所不同的是，目前中國的霧霾始於尺寸小得多的納米顆粒，並且經過鹼性的氨與酸性顆粒的中和作用，形成了硫酸鹽。當年倫敦「殺人霧」是高酸性的，而現在中國的霧霾則基本是中性的。（由於前段時間一些網站相關報道引起熱議，譯者特別在此強調，這裡的「中性」指的僅僅是化學酸鹼度上的「中性」，pH約為7的「中性」。「中性」並沒有比「酸性」更好，相反，這意味著更為複雜的化學過程。）

張教授表示，在中國，二氧化硫主要由發電廠排放，二氧化氮主要來自發電廠及汽車，而氨則來自化肥使用及汽車排放。這些物質在特定化學過程下相互作用，造成了中國目前嚴重的霧霾。

自上世紀90年代起，中國工業與製造業爆髮式增長與快速的城市化導致了大多城市嚴重的空氣問題。過去十多年裡，中國在與空氣污染展開不懈鬥爭，但目前空氣質量仍不容樂觀。

張教授認為，更好地理解空氣化學機制是制定有效治理政策的關鍵。「政府已竭盡所能減排治污，但徹底解決問題尚需時日。我們幫助解開了1952年倫敦大霧的謎團，或許也能夠為中國空氣質量提供些思路。減少二氧化氮與氨的排放或許能有效地抑制硫酸鹽形成過程。」

主要來源：http://phys.org/news/2016-11-mystery-historic-london-fog-current.html

參考文獻：Rohde, R. A. & Muller, R. A.(2015). Air pollution in China: Mapping of concentrations and sources. DOI:10.1371/journal.pone.0135749;

論文基本信息

【題目】Persistent sulfate formation from London Fog to Chinese haze

【作者】Wang, Gehui et al.

【刊期】PNAS(2016)

【日期】14 Nov 2016

【摘要】Sulfate aerosols exert profound impacts onhuman and ecosystem health, weather, and climate, but their formation mechanismremains uncertain. Atmospheric models consistently underpredict sulfate levelsunder diverse environmental conditions. From atmospheric measurements in twoChinese megacities and complementary laboratory experiments, we show that theaqueous oxidation of SO2 by NO2 is key to efficient sulfate formation but isonly feasible under two atmospheric conditions: on fine aerosols with highrelative humidity and NH3 neutralizationor under cloud conditions. Under polluted environments, this SO2 oxidation process leads to large sulfateproduction rates and promotes formation of nitrate and organic matter onaqueous particles, exacerbating severe haze development. Effective hazemitigation is achievable by intervening in the sulfate formation process withenforced NH3 and NO2 controlmeasures. In addition to explaining the polluted episodes currently occurringin China and during the 1952 London Fog, this sulfate production mechanism iswidespread, and our results suggest a way to tackle this growing problem inChina and much of the developing world.