揭開北京霧霾“真身”
本報(bào)記者 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(gè)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(shí)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(guó)科學(xué)院大氣物理研究所中國(guó)生態(tài)環(huán)境研究網(wǎng)絡(luò)大氣分中心團(tuán)隊(duì)，一直在研究北京霧霾的“配方”，以幫助全社會(huì)有針對(duì)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(jī)制及防控措施研究示范”課題中，團(tuán)隊(duì)提出的“氮氧化物中心說”可謂識(shí)破了北京霧霾的本質(zhì)。治理燃煤、嚴(yán)控機(jī)動(dòng)車、控制揚(yáng)塵……北京一項(xiàng)項(xiàng)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(shí)踐。
最早提出“氮氧化物中心說”
2013年，北京市正式對(duì)公眾發(fā)布PM2.5監(jiān)測(cè)結(jié)果，也是在這一年，北京市治理PM2.5的大幕拉開。
污染來(lái)勢(shì)洶洶。監(jiān)測(cè)的頭一個(gè)月，北京就遭遇五次空氣重污染，首尾兩次時(shí)間各長(zhǎng)達(dá)5天。整個(gè)1月份，霧霾天氣多達(dá)23天！
北京的霧霾是什么來(lái)頭？我國(guó)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(lái)大氣霾污染頻發(fā)的背景下，硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、有機(jī)物等是高濃度氣溶膠的主要成分，但對(duì)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(tuán)隊(duì)著手研究這個(gè)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�！�2014年，王躍思團(tuán)隊(duì)提出了“氮氧化物中心說”這一科學(xué)假說。
王躍思和團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)，北京當(dāng)時(shí)的污染狀況，其實(shí)是上世紀(jì)50年代前后英國(guó)倫敦和美國(guó)洛杉磯的加和體�！坝�(guó)倫敦，大量使用蒸汽機(jī)，燒煤產(chǎn)生的二氧化硫形成酸霧，對(duì)人體造成傷害；美國(guó)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(duì)城市環(huán)境危害很大。而我們，這兩個(gè)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(lái)，氣體就變成了顆粒物，重霾污染就來(lái)了。
這就是王躍思團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(dú)特的重要作用。可單憑外場(chǎng)觀測(cè)，只能知道反應(yīng)物和產(chǎn)物，內(nèi)部過程像黑盒子，無(wú)從得知。煙霧箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M，必不可少。
“怎么沒有反應(yīng)？真是奇怪！”團(tuán)隊(duì)成員開始做煙霧箱實(shí)驗(yàn)，可是他們把氮氧化物和二氧化硫兩類氣體放一起時(shí)，竟然沒有一點(diǎn)反應(yīng)，“跟我們想象的完全不一樣，我們以為肯定會(huì)反應(yīng)成硫酸鹽�！�
一次實(shí)驗(yàn)失敗，再接著來(lái)第二次、第三次，但兩個(gè)多月過去了，第100次實(shí)驗(yàn)都做完了，還是沒有出現(xiàn)預(yù)期的反應(yīng)。“是不是缺點(diǎn)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，跟炸彈爆炸一樣來(lái)勢(shì)兇猛。這一“炸”，把大家“炸”興奮了！
實(shí)驗(yàn)證實(shí)了觀測(cè)的結(jié)果符合北京市的實(shí)際情況，加上一次次詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)?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(jī)動(dòng)車排放氨氣促進(jìn)顆粒物生成
在我國(guó)，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(gè)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的氨氣來(lái)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?yàn)樗拇嬖�，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(huì)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�！斑@點(diǎn)真是很要命！”
氨氣從哪來(lái)？一般認(rèn)為， 70%以上的氨都是從農(nóng)牧業(yè)來(lái)的，農(nóng)業(yè)化肥使用揮發(fā)大約能占30%，畜牧業(yè)養(yǎng)殖占40%，人體占9%。衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)華北地區(qū)，氨的濃度越來(lái)越高。可對(duì)農(nóng)牧業(yè)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)的活動(dòng)水平是下降的，應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致氨的排放量下降。大家一時(shí)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(lái)了？城市氨氣為什么逐年升高？王躍思團(tuán)隊(duì)提出可能有未知的氨氣來(lái)源，而且這一來(lái)源極有可能與燃燒過程有關(guān)。
質(zhì)疑的聲音也紛紛躍起�！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(zhēng)論不休，各不讓步，整個(gè)課題研究一度因?yàn)檫@個(gè)問題擱置。
但王躍思不信，“我在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料上，確實(shí)是看到過燃燒過程排放氨氣”。后續(xù)團(tuán)隊(duì)用同位素分析法，終于論證了氨的來(lái)源�！霸谥匚廴酒陂g，氨并不是主要來(lái)自農(nóng)牧業(yè)，而是來(lái)自工業(yè)化石燃料燃燒過程和機(jī)動(dòng)車排放，在重霾期間，這個(gè)比例可以達(dá)到80%甚至90%�！边@個(gè)結(jié)論的提出和系列證實(shí)過程，不僅讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)驚訝，國(guó)內(nèi)外同行專家也心服口服。
隨后，好消息接踵而來(lái)。
課題組廣州的同事去廣州的珠江隧道做實(shí)驗(yàn)�！八淼览锩嬷挥衅�，很好得出結(jié)論�！币唤�(jīng)檢測(cè)，果然汽車尾氣是排放氨的，隧道里面測(cè)出的氨的濃度，比外面高出幾十倍！課題組北京的同事，測(cè)定了煤炭散燒過程排放的氨氣，發(fā)現(xiàn)我國(guó)燃煤散燒排放的氨氣是國(guó)外的50倍左右。
“燃燒過程排放了大量的氨。”證實(shí)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(xiàng)治理措施就有了針對(duì)性，效果也更加明顯。
近年來(lái)，北京市大力壓減燃煤，燃煤總量已經(jīng)低于500萬(wàn)噸，二氧化硫年均濃度穩(wěn)定保持在個(gè)位數(shù)；嚴(yán)控移動(dòng)源污染，降低氮氧化物排放，僅去年就查處了32.5萬(wàn)輛次超標(biāo)重型柴油車，是前一年的5.6倍；治理?yè)P(yáng)塵和揮發(fā)性有機(jī)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(shí)也證明咱們治理的方向和措施是正確的。接下來(lái)，就要解決臭氧問題了�！蓖踯S思說，目前以至于未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間的研究，都得集中在臭氧治理上。
臭氧治理又是一個(gè)大難題，像歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，至今都還未能解決臭氧問題，臭氧濃度仍會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的情況。“他們關(guān)于顆粒物的問題在上個(gè)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(tuán)隊(duì)提出，為了讓北京的顆粒物濃度進(jìn)一步下降，未來(lái)也要通過調(diào)控臭氧來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得顆粒物和臭氧濃度協(xié)同下降。“現(xiàn)狀是顆粒物濃度下降了，但臭氧起來(lái)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(shí)還不能讓顆粒物濃度反彈，這是一個(gè)大難題，也是一個(gè)更漫長(zhǎng)的過程�！�
臭氧的治理為何這么難？王躍思回答：“因?yàn)橛泻艽蟮牟淮_定性�！痹瓉�(lái)，臭氧產(chǎn)生靠的是氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）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(shí)候，臭氧濃度反而會(huì)升高，“它倆是非線性關(guān)系，是一條拋物線，氮氧化物得降低到特別低的時(shí)候，臭氧才會(huì)下降”，王躍思說，“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(shí)現(xiàn)�！�
揮發(fā)性有機(jī)物和臭氧的關(guān)系也很奇妙。揮發(fā)性有機(jī)物越高，臭氧就越高，但反之揮發(fā)性有機(jī)物降低了，臭氧卻并不降低。
說起這個(gè)，王躍思也哭笑不得，因?yàn)閾]發(fā)性有機(jī)物的種類實(shí)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(lái)替補(bǔ)，永遠(yuǎn)有應(yīng)接不暇的替補(bǔ)�！�
“所以，臭氧是讓我們頭疼的一個(gè)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。”
