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          院士談霧霾產生的真正原因

          2015-12-08

          唐孝炎:中國工程院院士,環境科學專家。曾任中國環境學會副理事長、北京大學環境科學中心主任,曾獲國家科技進步一等獎1次、國家科技進步二等獎3次、“何梁何利”科學技術進步獎1次。我國大氣環境化學專業創始人,在環境化學前沿領域大氣臭氧、酸雨和大氣細顆粒物(氣溶膠)化學方面作過許多具有開拓性和創造性的系統工作。


          霧、霾是氣象學的名詞,霧霾天氣的成因并不是只有污染一種,霧霾古代就有,空氣中有很多細小的顆粒物,比如塵土、海浪帶起來的泡沫、花粉等等,特別是刮風帶起來的土壤顆粒物,都是自然界中本來存在的。這些細小顆粒物飄浮在大氣中,表面會吸附一定的水汽,重力不大,不易沉降,它就會飄浮到上空吸收大量水分后成為云或霧的凝結核。有一些細小顆粒物集聚在近地面,受地面濕度的影響,它們會吸收、折射或者反射太陽光,造成能見度下降,這個時候這些細小顆粒就參與形成霾。當大氣中有大量二氧化硫、氮氧化物和揮發性有機物等污染物時,它們形成的硫酸和硫酸鹽、硝酸和硝酸鹽及有機物等,由于它們對光的效應,造成了視程障礙使霾的程度和危害性加大。


          霧和霾的區別看起來似乎不大,只是濕度的問題。但是對它們的判別界限問題曾經引起氣象學界一段時間的學術討論和爭議。簡言之,按當前氣象部門的定義,大氣的濕度低于百分之八十,顆粒物的光效應使能見度下降到十公里以內,造成灰蒙蒙的視程障礙現象叫做霾,但是當濕度高到百分之九十以上,那時候就變成輕霧,水汽更大時就成為霧了。霧較容易散去,霾卻很難。因為霧含水量大,受天氣變化的影響比較大,太陽一出來,遇到干燥空氣,霧就很容易散去,所以霧一般不會整天都有。但是霾就比較麻煩,因為它水蒸汽含的不多,濕度在百分之八十以下,再加上霾所處空間一般是3000米以下,如果當上空存在逆溫層,而水平方向沒有風或風很小,空氣上下對流或者水平流動不暢通時,霾就無法散去。


          污染是造成嚴重霧霾的內因,氣象條件則是外因。霧霾跟能源使用的排放有關。我們知道,二氧化硫、氮氧化物、氨氣以及揮發性有機物等污染物都是氣體,為什么到大氣中會變成顆粒物并最終形成霾呢?因為大氣具有氧化性,能源燃燒后排放的氣體污染物可以說是一次污染物,進入大氣中以后,產生了非常復雜的化學反應,產生了二次污染物。由于一次污染物的價態偏低,比如二氧化硫、一氧化氮都是屬于還原價態,而大氣中存在大量的自由基,低價態的氣體很容易跟自由基產生被氧化的反應形成高價態的硫酸、硝酸、硫酸鹽和硝酸鹽等,有機物也有此反應。


          目前,我們對霧霾成因的研究中對VOC(揮發性有機物)的重視還不夠。排放進大氣的VOC和氮氧化物是使大氣氧化性增強的關鍵物質,由于他們的非線性關系,地區不同兩者作用的比值也會有所不同。比如,曾有研究指出,北京城區的大氣氧化性的增強,VOC的作用甚至大于氮氧化物,而郊區則相反。VOC是碳氫的結合體,它的產生相當大部分和燃燒有關,可以說任何燃燒都會產生VOC,所以跟能源的使用密切相關,煤炭、石油、天然氣里面都存在有機質,煉油、化工都是排放大戶,甚至秸稈燃燒、使用涂料和餐飲等也產生VOC。長期以來,人們一直認為煤炭燃燒是霾形成的主因,忽視化工產生的污染,關注的重點主要是煙塵和二氧化硫,忽略了氮氧化物和VOC,如果認識清晰起來,天然氣不能算是清潔能源。


          鍋爐和汽車中的燃燒過程都會產生細顆粒物,PM2.5有一次排放和二次排放之分,一次排放就是燃燒直接產生的顆粒物,二次排放是燃燒產生的氣體在大氣中發生化學反應和核化反應后產生的顆粒物,電廠目前已有的除塵裝置,最多只能除掉PM1以上的顆粒物,PM1以下的還除不掉。


          汽車會排放很多VOC,VOC的多少和油品以及燃燒是否充分有很大關系,有機物最好的轉化結果就是變成二氧化碳和水,但是發動機的燃燒過程來不及充分完成就排放掉了,特別是汽車在城區低速行駛或怠速的時候。有些國家就有專門法律規定,遇到紅燈時汽車必須熄火。


          有人認為城市里的汽車排放了很多氮氧化物,其實不全是這樣,氮氧化物的產生和燃燒的溫度關系最大,汽車在城區行駛,速度不會太快,發動機燃燒溫度不會太高,氮氣和氧氣的反應轉化就比較少。哪兒的氮氧化物多呢,高速公路上,汽車在高速公路行駛的速度很快,發動機溫度很高,產生的氮氧化物就越多。柴油車排放更多。


          控制汽車產生廢氣的一個方法是在汽車上安裝“三元催化轉換器”,現在汽車上一般都裝了,但是用的時間長了它會老化,作用會減弱,所以新車的氮氧化物排放比舊車要低?,F在香港要求汽車的“三元催化轉換器”每兩年必須更換一次,但是我國大多數省份沒有這個要求。


          有時候我去北京的北五環,馬路邊上有很多人拿著代辦車檢的牌子,現在這個事兒已經成為了一個行業,不管你的車合不合格,他們都能幫你檢測合格?,F在又出現了租借“三元催化轉換器”的現象,車主可以花錢租借一個新的來專門應付車檢,驗完之后再還給人家。這個現象的背后就是管理問題,現在的管理是粗放的,而不是精細管理。


          別小看餐飲一條街,VOC多,二氧化硫也高,氮氧化物也高,所以說能源利用的問題很復雜。特別是對于北方城市,冬季采暖的散煤燃燒問題,采暖地區郊區每年冬天用掉的散煤如何管?有的政府不管這些小的,只管電廠大鍋爐還有冶金等這些重點源。散煤燃燒,分散污染非常嚴重。所以我覺得能源革命里面生產和消費都要有,要注意這些小的以前沒注意的東西。


          我特別喜歡講的是巴西的一個城市,他們市長在規劃城市的時候就設計了專門的馬路通道,其寬度只允許一個大巴車來一個大巴車去,雙向車道,金融機構、政府機關、企業總部等只允許建設在這條主路及輔路旁。這條路只能通行公共汽車,所有輕型汽車來了只能停在郊區或大道旁,然后人們換坐公交車進城。另外他們為了使空氣流通好,在主路兩旁的房子是較低矮的,高樓都建在后面,不在汽車最密集的地方。這個城市有220萬居民,公交使用占70%以上,這種狀態從上世紀60年代到現在一直執行,已經幾十年了,城市環境比里約和圣保羅等還清潔。


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