“最近30年就是研究灰塵”
——記莊國順教授的氣溶膠及空氣質量研究

本刊記者/李 輝

“最近30年就是研究灰塵”
——記莊國順教授的氣溶膠及空氣質量研究

本刊記者/李 輝

本期項目：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；

所獲獎項：2012年度國家自然科學獎二等獎；

第一完成人：復旦大學莊國順教授。

莊國順教授

在上海院士中心 2013年 3月14日舉辦的第60期院士沙龍“城市空氣污染治理的對策和建議”上，筆者第一次見到了莊國順教授。這時距離筆者第一次聯(lián)系莊教授已經(jīng)有一個多月的時間了。隨著PM2.5議題在中國各地的持續(xù)發(fā)酵，莊教授已經(jīng)成了不折不扣的大忙人。

莊教授的演講中有幾段話，可能最為代表他當天的演講內(nèi)容，也最代表他一直以來的思想。

“人們很早就知道大氣運動是全球性的，但一直到上世紀80年代才知道顆粒物也是可以長途傳輸?shù)摹Ｋ栽谏蟼€世紀70年代的歐洲，所謂區(qū)域聯(lián)控主要是針對氣體的區(qū)域傳輸。對于細顆粒物的長途傳輸，直到近年來才在不斷研究中有所認識。 ”

“我們發(fā)現(xiàn)，顆粒物的長途傳輸，經(jīng)過不同的地方造成的影響并不相同。同樣的氣溶膠，傳輸至北京可以使當?shù)豴H值升高一個單位，但是傳輸?shù)缴虾：罂梢允巩數(shù)豴H值降低兩個單位?？梢姎馊苣z長途傳輸產(chǎn)生的影響非常大——大大超過我們原來的想象?！?/p>

“今天講的大氣污染不是一個城市問題，起碼是區(qū)域性的問題，在某種意義上是全球性的問題?！?/p>

莊教授對PM2.5從“長途傳輸”角度出發(fā)的解釋，其實也正是他獲得國家自然科學獎二等獎的原因。莊教授后來還是給我了采訪機會，通過后續(xù)的采訪，我得以更加細致地理解他一路以來的研究歷程。

一

對于顆粒物的長途傳輸，其實公眾并不陌生。我國黃土高原厚厚的黃土，即是在過去二百多萬年間由我國西北沙漠及亞洲中緯度干旱區(qū)產(chǎn)生的沙塵經(jīng)風力搬運后堆積而成的。

如所周知，大氣運動可以把土壤以及沙石拔地而起，形成隨時隨地可見甚至鋪天蓋地的沙塵暴，并經(jīng)由大氣中的水以及重力的作用，搬遷至或近或遠的另一處。

大氣引發(fā)并攜帶的除了大顆粒的沙塵，還有小顆粒的氣溶膠。

氣溶膠是液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系。它們能作為水滴和冰晶的凝結核、太陽輻射的吸收體和散射體，并參與各種化學循環(huán)，是大氣的重要組成部分。霧、煙、霾、輕霧、微塵和煙霧等，都是天然或人為原因造成的大氣氣溶膠。

只是直到20世紀80年代初，科學家們才首次發(fā)現(xiàn)氣溶膠的長途傳輸。人們發(fā)現(xiàn)，來自中國西北黃土高原的塵埃，千萬年來飛越亞洲大陸和太平洋上空，經(jīng)過大約一周的旅行沉積于遙遠的北太平洋，甚至到達美國西部沿海。

在北太平洋，隨大氣而來的某些化學元素經(jīng)由海氣交換，進入海洋。與隨河流輸送入海的物質一樣，這些化學元素也成為了海洋物質的重要來源。

這時，人們才意識到，氣溶膠之于太平洋中的沉積層，正如沙塵之于我們的黃土高原。在當時的這一波研究中，Robert A.Duce是最為代表性的科學家之一。他從80年代初開始，在太平洋的許多小島設網(wǎng)絡取樣站，開啟了海氣交換研究。

以Duce領銜的科學家們，根據(jù)衛(wèi)星傳送的各地氣象資料進行的氣溶膠傳輸軌跡追蹤分析，清楚地證明北太平洋上空的氣溶膠來自中國中西部的沙漠和黃土高原。例如，1986年4月15日在太平洋中的小島Oahu北面附近收得的氣溶膠，來自于4月8日中國中西部的沙漠和黃土高原地區(qū)。大概而言，氣溶膠從中國傳輸?shù)街刑窖蠛u上一般需要5-10天。

二

這位Duce教授，正是莊國順在美國攻讀博士學位時的導師。1960年代畢業(yè)于復旦大學化學專業(yè)的莊國順，1980年代求學于美國，在Duce的指導下開始攻讀環(huán)境科學的博士學位。

氣溶膠長距離傳輸示意圖。其中，源自亞洲中部沙漠地區(qū)的沙塵在傳輸?shù)倪^程中，與沿途的工業(yè)燃料廢氣、汽車尾氣不斷結合，生成復合污染氣溶膠。一路沉降至北京、上海甚至跨越太平洋到達北美

在跟隨導師進行全球氣溶膠運動研究的基礎上，莊國順在Duce的指導下，更深一步地，依靠自己的化學基礎，做出了獨特的貢獻。

1990年，莊國順以第一作者，在國際著名雜志《地球物理研究》上發(fā)表論文，提出：大氣沉降的鐵是海洋表層水中鐵的最主要來源。

“氣溶膠中所含的兩價鐵很難分析。20世紀80年代以前文獻中關于水溶液中二價鐵的數(shù)據(jù)都不可靠。研究大氣中的鐵有相當難度。我因為是學化學出身的，所以在物理化學和分析化學方面有優(yōu)勢。”正是這樣的優(yōu)勢使得莊國順發(fā)表了這篇后來大量被引用的作品。

莊國順進一步發(fā)現(xiàn)，雨水、云層水及海洋氣溶膠的鐵含有高比例的二價鐵，而分析其中的化學變化，可以揭示大氣海洋物質交換過程中的鐵硫耦合反饋機制。在大量實測數(shù)據(jù)并在實驗室模擬研究的基礎上，1992年莊國順以第一作者在《自然》雜志發(fā)表了相關論文。

所謂大氣傳輸過程的鐵硫耦合機制及其對全球生物地球化學循環(huán)的重要作用，具體來說：

氣溶膠及云層水中的四價硫被三價鐵直接氧化或光氧化或催化氧化，生成硫酸鹽，而三價鐵則被還原成二價鐵；

中亞沙漠及黃土高原的沙塵含有大量三價鐵，在從我國上空傳輸?shù)教窖笸局?，隨著硫酸鹽的增加，氣溶膠中所含的可為海洋表層生物吸收的二價鐵隨之增加，因而海洋表層的浮游生物也隨之增加。

這一假設的提出引起了國際科技界的普遍重視。

1996年美國科學家在赤道太平洋地區(qū)，1999年歐美及澳大利亞、新西蘭等國科學家在南大洋地區(qū)進行了中尺度的人為加鐵實驗，在一星期內(nèi)便引起了海洋表層生產(chǎn)力的數(shù)倍增長，并從人造衛(wèi)星的遙感照片中直接拍攝到該地區(qū)海洋表層水硅藻大量增長的彩色照片，從而證實了莊國順的這一假說。

莊國順的研究，也為他贏得了導師“莊為當時國際上3-4名大氣中鐵的生物地球化學專家之一”的贊譽。

三

“我對沙塵的源頭非常感興趣，所以就想回來中國繼續(xù)做研究?！?998年，莊國順歸國，進入北京師范大學環(huán)境研究中心工作。

回到中國后，莊國順發(fā)現(xiàn)，當時關于沙塵暴的議題突然在中國非常熱門。在莊國順看來，沙塵暴是一種自然現(xiàn)象，也是他們一直關注的研究對象，并不是最近才有的。中國公眾如此熱衷于討論這一話題，他一時感到有些奇怪。

沙塵暴來源區(qū)均位于干旱半干旱地區(qū)。全世界四大沙暴區(qū)是：獨聯(lián)體中亞部分及中國西北部的中亞沙暴區(qū)、澳大利亞中部的澳大利亞沙暴區(qū)、美國中西部的北美沙暴區(qū)和非洲撒哈拉沙漠中的中非沙暴區(qū)。

其中第一個，如前文所說，是黃土高原以及北太平洋物質的重要來源地，也正是莊國順最為關心的一個沙源。而近幾十年來，由于未將資源開發(fā)與環(huán)境保護結合起來，這里的沙漠化日趨嚴重，正成為世界上活動最劇烈的沙塵暴地區(qū)。它帶來的一個直接影響，就是中國北方地區(qū)日趨頻繁的沙塵暴。

之前，莊國順從全球大氣運動的角度對這一地區(qū)給予關注，而回到中國后，研究對象未變，但關注的議題卻進入到了環(huán)保領域。

與當時一般專家加強植樹造林、搬遷工廠等想法不同。莊國順更關注沙塵暴以及氣溶膠所帶來的環(huán)境變化中的化學因素。從這一角度出發(fā)，莊國順一開始就發(fā)現(xiàn)了一個問題：當時我們國家在測算顆粒物污染情況時，以PM10為衡量標準，而PM2.5，則無人關心。

大氣中直徑在 10微米以下的顆粒物稱為PM10，粒徑小于2.5微米的顆粒物為PM2.5。細小的微粒不為人所觀察，但并不說明它們不會被人吸收——事實上它對人體的危害可能更強。

在新疆沙漠中考察的莊國順

在莊國順看來，中國政府當時在對外公布空氣質量時，以PM10來看雖然“越來越好”、“非常好非常好”，但如果以PM2.5為標準，污染狀況其實也是非常嚴重的。

四

回到國內(nèi)后，莊國順的全球海氣交換研究繼續(xù)進行，首先是對新疆沙漠地區(qū)的物質成分的研究。

在新疆工作，人生地不熟。莊國順往往是先跟當?shù)氐沫h(huán)保局等相關部門聯(lián)系，請求幫助；如果沒有政府部門的支持，他們會在中學里尋找愿意合作的中學老師一起研究。

2006年底，莊國順率領團隊來到了塔克拉瑪干沙漠中部的塔中站，在那里采了兩個月的樣品。這次他們?nèi)〉昧撕艽蟮氖斋@。他們發(fā)現(xiàn)，95%以上的塔里木上空的硫酸鹽都是以可溶性狀態(tài)存在。原本大家以為硫酸鹽是二氧化硫轉化的，但根據(jù)他們的這次最新成果，由于塔里木地區(qū)原本是海洋，所以塔里木的沙塵中原本就有硫酸鹽。古時候的硫酸鹽經(jīng)過風化，變成了現(xiàn)在所看到的沙塵的組成部分。

“我經(jīng)費很少，但我每個季度都要收集樣品和數(shù)據(jù)。從沙塵源區(qū)到沙塵途徑城市，”莊國順說。據(jù)了解，10年來，莊國順團隊在我國的典型地區(qū)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，每個季度用一到兩個月的時間進行采樣，共采集了近2萬個氣溶膠樣品。

沙塵暴既輸送比常日高達數(shù)十倍的污染物，還輸送比平時高得多的二價鐵。沙塵氣溶膠中二價鐵的發(fā)現(xiàn)及其與SO42-離子濃度的正相關，再次提供了鐵硫耦合反饋機制的現(xiàn)場證據(jù)。這類發(fā)現(xiàn)，為繼續(xù)他的全球海氣交換研究提供了支撐。

而這些數(shù)據(jù)，在用于研究沙源—大氣—海洋的物質交換過程的同時，也為解釋中國各地的霧霾問題提供了獨特的視角。

比如，莊國順團隊發(fā)現(xiàn)，中國北方氣溶膠受春季沙塵的影響，pH值可以升高1個單位，而在上海，其pH值則比非沙塵期間低2個單位，可見長途傳輸而來的沙塵會對下游地區(qū)產(chǎn)生重大影響。這類發(fā)現(xiàn)，為理解中國境內(nèi)的大規(guī)模霧霾提供了依據(jù)。

根據(jù)在沙塵途徑城市所布置的采集點，莊國順團隊發(fā)現(xiàn)沙塵期間的高濃度污染物，一般來自于沙塵與沿途排放的污染物的混合，或者沙塵暴入侵氣團與當?shù)匚廴練鈭F之間的交匯疊加。這一觀點其實正是他提出“區(qū)域聯(lián)控”的理論基礎。

當然，不可能到處都能采樣，所以還必須借用遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。莊國順團隊利用衛(wèi)星遙感、雷達等觀測結果分析了我國氣溶膠和污染氣體的三維空間分布和區(qū)域特性，結合化學分析揭示了我國城市灰霾形成的三個主要成因：二次氣溶膠、沙塵、生物質燃燒。

五

正是考慮到顆粒物傳輸過程對各地污染的影響不同，莊國順認為，即便上海這樣看起來距離沙塵暴很遠的地方，污染仍然是很嚴重的。在上海舉辦世博會之前，“我就離開北京，來到了上海。因為當時無論是政府層面還是環(huán)保學術界，乃至廣大民眾都普遍認為上海的空氣質量要比北京好很多，而我卻為南方的空氣質量焦急?！鼻f國順于2004年進入復旦大學環(huán)境科學與工程系工作。

在媒體上，莊國順的一句話，“上海的空氣質量并不比北京好”，曾引起很大的風波。因為上海在改造蘇州河、治理空氣污染方面確實做了大量的工作，也取得了很大的成績。但莊國順認為，在PM10的水平上，可以說上海的空氣質量要比北京好，但從PM2.5的水平來看，北京年平均PM2.5數(shù)值在50至70之間，上海大約在40至70之間，兩者基本在同一個水準。因此，“好不到哪里去?！?/p>

莊國順的研究結果發(fā)現(xiàn)，氣溶膠中的銨鹽、硫酸鹽/硝酸鹽等可溶性鹽及草酸鹽等有機組分是能見度降低的直接影響因子，其來源為光化學反應，云中液相反應及生物質燃燒等；而機動車的尾氣排放均是這些物質的主要來源。

針對北京和上?？諝庵屑氼w粒物PM2.5中的各種化學成分，莊國順團隊已經(jīng)進行了長達十多年的觀測，通過對觀察結果中硝酸鹽和硫酸鹽的相對比值進行比較，他們發(fā)現(xiàn)：從2000年到2003年，硝酸鹽與硫酸鹽的比值是0.3左右；而以后此比值一直呈上升趨勢，到了 2012年，許多時間段這一值已經(jīng)達到1。而在去年年底和今年初的全國性大范圍霧霾事件中，兩者的比值，甚至達到1.5－2.0。

交通排放的不僅是氮氧化物，還有更多的有機烴進而形成的有機氣溶膠，還有其不完全燃燒產(chǎn)生的黑炭以及汽車運行時產(chǎn)生的道路揚塵。莊國順認為，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以說明目前在諸如上海等大中城市中，交通排放已經(jīng)大于工業(yè)排放。

千百年來，沙塵和生物質燃燒一直存在，但并沒有導致全國大范圍、大規(guī)模的霧霾。我國在煤燃燒的脫硫脫硝上采取了一系列有力措施，近年來大氣中二氧化硫的濃度也有下降趨勢或基本上維持在原來水平。

考察這次我國中東部大范圍霧霾的原因，如果和兩三年前的大氣污染物排放狀況相比較，在全國范圍內(nèi)，唯獨機動車數(shù)量在諸多大中城市，包括中東部地區(qū)很多縣城，在2010年到2012這兩三年間急劇增加，“因此我們可以有根據(jù)地說，近年來我國機動車的急劇增加，交通排放日益嚴重是造成這次大范圍霧霾的主要原因。因此控制機動車數(shù)量的急速增長及其排放標準已成為改善中國大中城市當前大氣質量的當務之急?！?/p>

機動車的排放并非上海一個城市的問題，全國各地的尾氣排放混合到全球傳輸?shù)臍馊苣z中，PM2.5的問題就不能簡單地本地解決了。所以莊國順一再強調：“今天講的大氣污染不是一個城市問題，起碼是區(qū)域性的問題，在某種意義上是全球性的問題?！边@一觀點，毫無疑問，是建立在他三十年對氣溶膠遠距離傳輸?shù)难芯炕A之上的。