中德研究人員宣布破解北京及華北重度霧霾主要成分形成之謎

中德兩國研究人員21日說，他們破解了北京及華北地區(qū)霧霾最主要組分硫酸鹽的形成之謎，發(fā)現(xiàn)在大氣細(xì)顆粒物吸附的水分中二氧化氮與二氧化硫的化學(xué)反應(yīng)是當(dāng)前霧霾期間硫酸鹽的主要生成路徑。這一發(fā)現(xiàn)凸顯在繼續(xù)實(shí)施減排措施的同時(shí)優(yōu)先加大氮氧化物減排力度對緩解空氣污染問題的重要性。

近年來，北京及華北地區(qū)霧霾頻發(fā)。已有研究表明，硫酸鹽是重污染形成的主要驅(qū)動因素。在絕對貢獻(xiàn)上，重污染期間硫酸鹽在大氣細(xì)顆粒物PM2.5中的質(zhì)量占比可達(dá)20%，是占比最高的單體；在相對趨勢上，隨著PM2.5污染程度上升，硫酸鹽是PM2.5中相對比重上升最快的成分。因此，硫酸鹽的來源研究是解釋霧霾形成的關(guān)鍵科學(xué)問題。

清華大學(xué)賀克斌院士、張強(qiáng)教授、鄭光潔博士和德國馬克斯·普朗克化學(xué)研究所的程雅芳教授、烏爾里希·珀施爾教授、蘇杭教授等人當(dāng)天在新一期美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告說，他們運(yùn)用外場觀測、模型模擬及理論計(jì)算等手段發(fā)現(xiàn)，在北京及華北地區(qū)霧霾期間，硫酸鹽主要是由二氧化硫和二氧化氮溶于空氣中的“顆粒物結(jié)合水”，在中國北方地區(qū)特有的偏中性環(huán)境下迅速反應(yīng)生成。顆粒物結(jié)合水是指PM2.5在相對濕度較高的環(huán)境下潮解所吸附的水分。

該結(jié)論與通常認(rèn)為的硫酸鹽形成機(jī)制有較大不同?，F(xiàn)有基于歐美等地區(qū)的經(jīng)典大氣化學(xué)理論認(rèn)為，硫酸鹽主要是在云水環(huán)境中形成，由于云中的液態(tài)水含量遠(yuǎn)高于顆粒物結(jié)合水，通常高出1000到10萬倍，所以與云水中的硫酸鹽生成反應(yīng)相比，顆粒物結(jié)合水中的反應(yīng)可以忽略；理論計(jì)算還顯示，在云水反應(yīng)路徑中，二氧化氮氧化二氧化硫生成硫酸鹽這一路徑的貢獻(xiàn)也可忽略不計(jì)。

而在北京及華北地區(qū)霧霾期間，一方面，由于顆粒物濃度大幅上升及靜穩(wěn)氣象條件下相對濕度較高等原因，顆粒物結(jié)合水含量遠(yuǎn)高于經(jīng)典情景，顆粒物結(jié)合水中的反應(yīng)總量大大提升；另一方面，重度霧霾期間二氧化氮濃度為經(jīng)典云水情景下的50倍以上，這直接改變了二氧化氮氧化路徑的相對重要性。此外，北京及華北地區(qū)大量存在的氨、礦物粉塵等堿性物質(zhì)使得當(dāng)?shù)仡w粒物結(jié)合水的pH值遠(yuǎn)高于美國等地，呈現(xiàn)出特有的偏中性環(huán)境，而二氧化氮氧化機(jī)制的反應(yīng)速率會隨pH值上升而大幅提高。

研究人員據(jù)此在論文中指出，優(yōu)先降低氮氧化物的排放可能有助大幅降低中國霧霾中的硫酸鹽污染水平。

“該研究表明我國復(fù)合型污染的特殊性，”賀克斌院士對新華社記者說，“高二氧化硫主要來自燃煤電廠，高二氧化氮主要來自電廠和機(jī)動車等，而起到中和作用的堿性物質(zhì)氨、礦物粉塵等則來自農(nóng)業(yè)、工業(yè)污染、揚(yáng)塵等其他來源。這些不同的污染源在我國同時(shí)以高強(qiáng)度排放，導(dǎo)致硫酸鹽以特有的化學(xué)生成路徑迅速生成，這也是重度霧霾期間顆粒物濃度迅速增長的主要原因之一。”

倫敦酸霧通常被認(rèn)為是由燃煤排放的煙塵以及二氧化硫等一次污染物所致。洛杉磯霧霾則是一種光化學(xué)污染，主要原因是機(jī)動車尾氣在陽光作用下反應(yīng)生成了二次污染物。而中國霧霾是一次與二次污染物混合造成。

賀克斌說，這種復(fù)合型污染的特殊性更加表明了多污染物協(xié)同減排的重要性，尤其是現(xiàn)階段應(yīng)優(yōu)先加大氮氧化物減排力度。“之前我們雖然知道需要減排，但是如果無法弄清重霾污染形成的關(guān)鍵化學(xué)機(jī)制，就無法進(jìn)行有效的模型定量模擬分析，也就無法準(zhǔn)確評估如何減排最有效、最科學(xué)。不科學(xué)減排可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，可能花了很多人力物力，但收效甚微。”