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胡敏介绍说,北京的霾从形成到结束一般以4天~7天为周期,而且从蓝天白云的清洁天到严重的霾天只需要几天时间。每个周期都包括两个重要的化学转化过程——在清洁天,主要是气态污染物生成纳米颗粒物的过程,也称为颗粒物的核化过程,这个过程中产生了大量的纳米级粒子;在随后几天,是颗粒物持续快速的增长过程,使得在清洁阶段“种植”的种子得以长大到亚微米大小,这样大小的颗粒物对太阳光的消光作用明显,因此导致能见度的降低从而形成霾。北京PM2.5质量浓度的增长非常迅速,在清洁天细颗粒物质量浓度不足50微克每立方米,但在两天至4天后的污染阶段会增至数百微克每立方米。
应该说,这项研究从机理上解释了北京的霾比世界上其他地区形成更迅速且更严重的原因。北京大气颗粒物化学组成与世界上其他地区非常相似,主要是硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机物等二次颗粒物,表现出明显的二次形成特征,并无特殊之处。但是,在我国大气复合污染条件下,强氧化性和高浓度的气态污染物使得颗粒物具有更强的核化能力和持续快速增长的能力。
对此,胡敏解释说,霾的形成过程中,成核过程在世界上许多地区也会发生,但北京成核的潜力远高于其他地区;更为独特的是颗粒物的持续快速增长过程,同时具有这两个方面就使得北京的霾更加严重。相比之下,国外发达国家城市中气态污染物浓度较低,大气氧化性也没有北京强,因此很难同时出现颗粒物有效的核化及持续快速增长。
胡敏解释说,夏秋季,研究发现在北京的地形地势和不同气象条件下,PM2.5呈现4天~7天的周期性波动。例如,第一天是来自清洁地区的北风,且风速较大,将北京地区的污染物驱除。可是半天至一天后,风速减缓为静稳天气或风向转为来自污染地区的南风,颗粒物快速生成,导致在剩下的3天~5天,浓度持续上升,直至新一轮北风降临,驱除污染。
这就意味着,即使在秋高气爽、蓝天白云下,大气污染物的化学转化过程仍在进行。由机动车、工业企业排放的气态污染物转化成可凝结蒸汽,进而核化成纳米级的最小的颗粒物,尽管对颗粒物的质量浓度增加不多,但是在大气中播撒了大量颗粒物的“种子”;一旦出现不利的气象条件,其他的气体污染物在这些小颗粒物上不断凝结,这些颗粒物就会迅速长大,就像种子迅速生根发芽一样,霾就出现了。这个过程很快,常常是上午还是蓝天,中午就出现了大量的种子,下午种子就开始发芽长大,蓝天就随之消失了。这是北京成霾的独特过程。
二次污染是元凶,怎样才能有效治理?
胡敏科研团队的研究成果再次证实了通过化学反应产生的二次污染对我国灰霾加剧贡献巨大。
2014年2月,京津冀地区一轮持续的大范围灰霾天气发生时,一些城市二次污染的贡献成分比例甚至高达80%。
在大气细颗粒物的重要组分中,硫酸盐与灰霾形成密切相关。中科院生态环境研究中心研究员、中科院战略性先导科技专项“大气灰霾追因和控制”首席科学家贺泓表示,硫酸盐在成霾的过程中起到了非常重要的作用。监测数据显示,通常灰霾形成后,硫酸盐在大气PM2.5颗粒中的占比在15%~20%之间。二次污染生成过程中,燃煤、重化工、机动车排放的二氧化硫和氮氧化物本身是气体,这些气体经过大气氧化作用,变成硫酸盐和硝酸盐颗粒,从而加剧灰霾的发生。
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