揭開北京霧霾“真身”

駱倩雯

霧霾什么味兒？曾經(jīng)，霧霾高發(fā)的季節(jié)，細(xì)心的網(wǎng)友“品味”霧霾的味道，并曬各個城市霧霾味道的不同，北京霾被網(wǎng)友奉為最“醇厚”“經(jīng)典”。這其實跟霧霾背后不同的化學(xué)成分有關(guān)。

王躍思帶領(lǐng)的中國科學(xué)院大氣物理研究所中國生態(tài)環(huán)境研究網(wǎng)絡(luò)大氣分中心團隊，一直在研究北京霧霾的“配方”，以幫助全社會有針對性地從源頭治理霧霾。

在“北京及周邊區(qū)域大氣復(fù)合污染形成機制及防控措施研究示范”課題中，團隊提出的“氮氧化物中心說”可謂識破了北京霧霾的本質(zhì)。治理燃煤、嚴(yán)控機動車、控制揚塵……北京一項項大氣治理措施、一年年P(guān)M2.5濃度的下降，正讓這一研究成果變成環(huán)境治理的實踐。

最早提出“氮氧化物中心說”

2013年，北京市正式對公眾發(fā)布PM2.5監(jiān)測結(jié)果，也是在這一年，北京市治理PM2.5的大幕拉開。

污染來勢洶洶。監(jiān)測的頭一個月，北京就遭遇五次空氣重污染，首尾兩次時間各長達5天。整個1月份，霧霾天氣多達23天！

北京的霧霾是什么來頭？我國自上世紀(jì)70年代開始，為防治酸雨和光化學(xué)污染，相繼提出了控制二氧化硫、氮氧化物的減排措施。在近年來大氣霾污染頻發(fā)的背景下，硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、有機物等是高濃度氣溶膠的主要成分，但對這些成分前體物的控制方向一直不是十分明確。這次污染發(fā)生后，王躍思團隊著手研究這個問題。

“高濃度氮氧化物的存在，可以激發(fā)二氧化硫向硫酸鹽的快速轉(zhuǎn)化?！?014年，王躍思團隊提出了“氮氧化物中心說”這一科學(xué)假說。

王躍思和團隊成員發(fā)現(xiàn)，北京當(dāng)時的污染狀況，其實是上世紀(jì)50年代前后英國倫敦和美國洛杉磯的加和體?！坝鴤惗兀罅渴褂谜羝麢C，燒煤產(chǎn)生的二氧化硫形成酸霧，對人體造成傷害;美國洛杉磯，工業(yè)和汽車尾氣排放大量的氮氧化物，形成的包括臭氧在內(nèi)的污染物，對城市環(huán)境危害很大。而我們，這兩個問題都有。”

“真沒想到，我們也驚呆了?！背蓡T們研究發(fā)現(xiàn)，在京津冀地區(qū)，大量燃煤燃燒排放二氧化硫，而工業(yè)和汽車尾氣排放的氮氧化物，二者在沙塵的媒介下，又觸發(fā)了二氧化硫向硫酸鹽的快速轉(zhuǎn)化，這樣一來，氣體就變成了顆粒物，重霾污染就來了。

這就是王躍思團隊提出的“氮氧化物中心說”。在北京重霾期間，高濃度氮氧化物的存在，極大地推進氣態(tài)二氧化硫向顆粒態(tài)硫酸鹽的轉(zhuǎn)化，氮氧化物在大氣污染形成中有著獨特的重要作用。可單憑外場觀測，只能知道反應(yīng)物和產(chǎn)物，內(nèi)部過程像黑盒子，無從得知。煙霧箱實驗?zāi)M，必不可少。

“怎么沒有反應(yīng)？真是奇怪！”團隊成員開始做煙霧箱實驗，可是他們把氮氧化物和二氧化硫兩類氣體放一起時，竟然沒有一點反應(yīng)，“跟我們想象的完全不一樣，我們以為肯定會反應(yīng)成硫酸鹽?！?/p>

一次實驗失敗，再接著來第二次、第三次，但兩個多月過去了，還是沒有出現(xiàn)預(yù)期的反應(yīng)。“是不是缺點什么？”大家都在琢磨。

突然一天，有人提出，“沙塵！北京有沙塵啊，怎么把它忘了！”果然，一加入沙塵“種子”，細(xì)顆粒物污染“嘩”就爆發(fā)了。

實驗證實了觀測的結(jié)果符合北京市的實際情況，加上一次次詳實的實驗?zāi)M數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，在眾多誘發(fā)霾污染的前體物中，將優(yōu)先控制的目標(biāo)鎖定為氮氧化物的“氮氧化物中心說”，從假說上升到了科學(xué)理論！

機動車排放氨氣促進顆粒物生成

在我國，汽車尾氣排放的氮氧化物，觸發(fā)了燃煤產(chǎn)生的二氧化硫向顆粒物硫酸鹽轉(zhuǎn)化。但仍有一個重要的問題：怎么促成轉(zhuǎn)化，究竟是什么在起作用？王躍思團隊發(fā)現(xiàn)了一個新的氨氣來源。

氨氣是一種堿性氣體，幾乎是大氣中唯一一種堿性氣體，正是因為它的存在，硫酸和硝酸中和變成了硫酸鹽和硝酸鹽，氣體變成了顆粒物。也就是說，如果京津冀區(qū)域沒有氨，顆粒物污染也不會那么嚴(yán)重.二氧化硫和氮氧化物也就可能作為氣體消散了。“這點真是很要命！”

氨氣從哪來？一般認(rèn)為，70%以上的氨都是從農(nóng)牧業(yè)來的，農(nóng)業(yè)化肥的使用揮發(fā)大約能占30%，畜牧業(yè)養(yǎng)殖占40%，人體占9%。衛(wèi)星觀測發(fā)現(xiàn)，在整個華北地區(qū)，氨的濃度越來越高?？蓪r(nóng)牧業(yè)的現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的活動水平是下降的，應(yīng)該會導(dǎo)致氨的排放量下降。大家一時間也弄不清楚究竟是怎么回事。

農(nóng)業(yè)的氨怎么跑到城里來了？城市氨氣為什么逐年升高？王躍思團隊提出可能有未知的氨氣來源，而且這一來源極有可能與燃燒過程有關(guān)。

質(zhì)疑的聲音也越來越多?！捌囄矚夂腿济旱热紵^程排放的氨僅占很小的部分?！币晃粚ｉT研究汽車工業(yè)的專家如是說。課題組成員之間因此爭論不休，各不讓步，整個課題研究一度因為這個問題擱置。

但王躍思不信，“我在國內(nèi)外的文獻資料上，確實是看到過燃燒過程排放氨氣”。后續(xù)團隊用同位素分析法，終于論證了氨的來源?！霸谥匚廴酒陂g，氨并不是主要來自農(nóng)牧業(yè)，而是來自工業(yè)化石燃料燃燒過程和機動車排放，在重霾期間，這個比例可以達到80%甚至90%?！边@個結(jié)論的提出和系列證實過程，不僅讓整個團隊驚訝，國內(nèi)外同行專家也心服口服。

隨后，好消息接踵而來。

課題組廣州的同事去廣州的珠江隧道做實驗?！八淼览锩嬷挥衅?，很好得出結(jié)論?！币唤?jīng)檢測，果然汽車尾氣是排放氨的，隧道里面測出的氨的濃度，比外面高出幾十倍！課題組北京的同事，測定了煤炭散燒過程排放的氨氣，發(fā)現(xiàn)我國燃煤散燒排放的氨氣是國外的50倍左右。

“燃燒過程排放了大量的氨?！弊C實了！

應(yīng)當(dāng)讓顆粒物和臭氧濃度協(xié)同下降

破解了霧霾的真身，各項治理措施就有了針對性，效果也更加明顯。

近年來，北京市大力壓減燃煤，燃煤總量已經(jīng)低于500萬噸，二氧化硫年均濃度穩(wěn)定保持在個位數(shù);嚴(yán)控移動源污染，降低氮氧化物排放，僅去年就查處了32.5萬輛次超標(biāo)重型柴油車，是前一年的5.6倍;治理揚塵和揮發(fā)性有機物，利用科技手段提高監(jiān)管，有序退出一般制造業(yè)和污染企業(yè)……

連續(xù)5年的大氣綜合治理，到2017年底，北京市的PM2.5年均濃度從2013年的89.5微克立方米下降到了58微克立方米;2018年北京繼續(xù)開展藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，PM2.5年均濃度降至51微克立方米。

“可以說，通過這些年，顆粒物治理已經(jīng)走上了‘快車道，事實也證明咱們治理的方向和措施是正確的。接下來，就要解決臭氧問題了?！蓖踯S思說，目前以至于未來很長一段時間的研究，都得集中在臭氧治理上。

臭氧治理又是一個大難題，像歐美等發(fā)達國家，至今都還未能解決臭氧問題，臭氧濃度仍會出現(xiàn)超標(biāo)的情況?！八麄冴P(guān)于顆粒物的問題在上個世紀(jì)90年代就解決了，顆粒物濃度已經(jīng)能做到不反彈，但臭氧還不行。”

王躍思團隊提出，為了讓北京的顆粒物濃度進一步下降，未來也要通過調(diào)控臭氧來實現(xiàn)，使得顆粒物和臭氧濃度同步下降?！艾F(xiàn)狀是顆粒物濃度下降了，但臭氧起來了，我們要研究PM2.5和臭氧的協(xié)同控制措施，要控制臭氧的同時還不能讓顆粒物濃度反彈，這是一個大難題，解決這個難題是一個更漫長的過程?！?/p>

臭氧的治理為何這么難？王躍思回答：“因為有很大的不確定性。”原來，臭氧產(chǎn)生靠的是氮氧化物和揮發(fā)性有機物這兩種前體物。但有意思的是，這兩種前體物很“特別”。氮氧化物下降的時候，臭氧濃度反而會升高?！八鼈z是非線性關(guān)系，是一條拋物線，氮氧化物得降低到特別低的時候，臭氧才會下降?！蓖踯S思說，“我們現(xiàn)在還在拋物線的前半段，也就是前坡，得到了后坡，才能實現(xiàn)?！?/p>

揮發(fā)性有機物和臭氧的關(guān)系也很奇妙。揮發(fā)性有機物越高，臭氧就越高，但反之揮發(fā)性有機物降低了，臭氧卻并不降低。

說起這個，王躍思也哭笑不得，因為揮發(fā)性有機物的種類實在太多了，大氣中有300多種，“你把前10種影響大的解決了，馬上就有后10種來替補，永遠(yuǎn)有應(yīng)接不暇的替補?！?/p>

“所以，臭氧是讓我們頭疼的一個難題，需要繼續(xù)深入研究?！蓖踯S思說，今年北京市就要開始協(xié)同控制PM2.5和臭氧，“顆粒物濃度做到不反彈，也就算成功了一半?！?/p>