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减少二氧化氮与氨或是抑制中国雾霾形成的关键

文章来源:科研圈微信公众号

对出门必备口罩的我们来说,“雾霾”这个词已不再陌生。但对于60多年前的伦敦人而言,当“杀人雾”(即雾霾)悄然来到时,他们还一无所知。

近日,包括中国科学家在内的国际研究团队揭开了1952年伦敦雾霾和当今中国雾霾的大气化学过程。该研究已于近日发表在 PNAS(论文信息见文末)。

“杀人雾”悄现伦敦

1952年12月,大雾笼罩了伦敦,这对“雾都”居民来说早已司空见惯。但接下来的几天,情况迅速恶化——世界变得天昏地暗,一些地方能见度甚至不足米,城市交通瘫痪,上万居民陆续出现呼吸问题,大量动物死亡。

至12月9日大雾消散时,已有至少4000人死亡,超过十五万居民入院治疗。而最近的研究估计实际的死亡人数超过12000人。

“1952年伦敦烟雾事件”直接促成了四年后世界上首部针对空气污染治理的法案《清洁空气法》的诞生。

尽管人们知道燃煤排放很可能是该事件的主因,但过去60多年中,致命烟雾及污染混合的确切化学过程一直是个解不开的谜团。

从二氧化硫到硫酸颗粒

该研究的通讯作者、德州农工大学的张仁一教授介绍,人们很早就知道硫酸盐是雾霾形成的重要原因。住宅及发电厂的燃煤释放大量二氧化硫,随后转化为硫酸颗粒造成污染。

但困扰科学家的是,二氧化硫究竟是如何转化成硫酸的?

研究团队通过实验室实验及在中国的大气测量发现了答案:这一转化过程首先在自然雾气条件下发生,燃煤的另一副产物——二氧化氮在该过程中起到了重要辅助作用。

同时,转化过程的另一关键环节是酸性颗粒的产生,这些颗粒随后会抑制转化。自然雾中含有尺寸达数十微米的较大颗粒,形成的酸被有效稀释。但雾霾中物质更为复杂,大的雾气颗粒蒸发后留下了较小酸性霾颗粒,覆盖了整座城市。

中国新“雾都”

不知从何时起,“雾都”已不再指那个遥远的不列颠首府,取而代之的是我们周遭再熟悉不过的城市。全球污染最严重的20座城市中包含16座中国城市。2015年,独立研究机构伯克利地球(Berkeley Earth)发表文章认为,空气污染每天导致我国约4000人死亡,占过早死亡案例总数的六分之一。

该研究表明,类似上述的化学过程目前在中国时常发生。所不同的是,目前中国的雾霾始于尺寸小得多的纳米颗粒,并且经过碱性的氨与酸性颗粒的中和作用,形成了硫酸盐。当年伦敦“杀人雾”是高酸性的,而现在中国的雾霾则基本是中性的。(由于前段时间一些网站相关报道引起热议,译者特别在此强调,这里的“中性”指的仅仅是化学酸碱度上的“中性”,pH约为7的“中性”。“中性”并没有比“酸性”更好,相反,这意味着更为复杂的化学过程。)

张教授表示,在中国,二氧化硫主要由发电厂排放,二氧化氮主要来自发电厂及汽车,而氨则来自化肥使用及汽车排放。这些物质在特定化学过程下相互作用,造成了中国目前严重的雾霾。

自上世纪90年代起,中国工业与制造业爆发式增长与快速的城市化导致了大多城市严重的空气问题。过去十多年里,中国在与空气污染展开不懈斗争,但目前空气质量仍不容乐观。

张教授认为,更好地理解空气化学机制是制定有效治理政策的关键。“政府已竭尽所能减排治污,但彻底解决问题尚需时日。我们帮助解开了1952年伦敦大雾的谜团,或许也能够为中国空气质量提供些思路。减少二氧化氮与氨的排放或许能有效地抑制硫酸盐形成过程。”

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

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

论文基本信息

[题目]Persistent sulfate formation from London Fog to Chinese haze

[作者]Wang, Gehui et al。

[刊期]PNAS (2016)

[日期]14 Nov 2016

[DOI]10.1073/pnas.1616540113

[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。

[原文链接]http://www.pnas.org/content/early/2016/11/09/1616540113

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