揭開北京霧霾“真身”

揭開北京霧霾“真身”

本報記者 駱倩雯

霧霾什麼味兒？曾經，霧霾高發的季節，細心的網友“品味”霧霾的味道，並曬各個城市霧霾味道的不同，北京霾被網友奉為最“醇厚”“經典”。這其實跟霧霾背後不同的化學成分有關。

王躍思帶領的中國科學院大氣物理研究所中國生態環境研究網路大氣分中心團隊，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“北京及周邊區域大氣複合汙染形成機制及防控措施研究示範”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。治理燃煤、嚴控機動車、控制揚塵……北京一項項大氣治理措施、一年年PM2。5濃度的下降，正讓這一研究成果變成環境治理的實踐。

最早提出“氮氧化物中心說”

2013年，北京市正式對公眾釋出PM2。5監測結果，也是在這一年，北京市治理PM2。5的大幕拉開。

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

北京的霧霾是什麼來頭？我國自上世紀70年代開始，為防治酸雨和光化學汙染，相繼提出了控制二氧化硫、氮氧化物的減排措施。在近年來大氣霾汙染頻發的背景下，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。這次汙染髮生後，王躍思團隊著手研究這個問題。

“高濃度氮氧化物的存在，可以激發二氧化硫向硫酸鹽的快速轉化。”2014年，王躍思團隊提出了“氮氧化物中心說”這一科學假說。

王躍思和團隊成員發現，北京當時的汙染狀況，其實是上世紀50年代前後英國倫敦和美國洛杉磯的加和體。“英國倫敦，大量使用蒸汽機，燒煤產生的二氧化硫形成酸霧，對人體造成傷害；美國洛杉磯，工業和汽車尾氣排放大量的氮氧化物，形成的包括臭氧在內的汙染物，對城市環境危害很大。而我們，這兩個問題都有。”

“真沒想到，我們也驚呆了。”成員們研究發現，在京津冀地區，大量燃煤燃燒排放二氧化硫，而工業和汽車尾氣排放的氮氧化物，二者在沙塵的媒介下，又觸發了二氧化硫向硫酸鹽的快速轉化，這樣一來，氣體就變成了顆粒物，重霾汙染就來了。

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，極大地推進氣態二氧化硫向顆粒態硫酸鹽的轉化，氮氧化物在大氣汙染形成中有著獨特的重要作用。可單憑外場觀測，只能知道反應物和產物，內部過程像黑盒子，無從得知。煙霧箱實驗模擬，必不可少。

“怎麼沒有反應？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，“跟我們想象的完全不一樣，我們以為肯定會反應成硫酸鹽。”

一次實驗失敗，再接著來第二次、第三次，但兩個多月過去了，第100次實驗都做完了，還是沒有出現預期的反應。“是不是缺點什麼？”大家都在琢磨。

突然一天，有人提出，“沙塵！北京有沙塵啊，怎麼把它忘了！”果然，一加入沙塵“種子”，細顆粒物汙染“譁”就爆發了，跟炸彈爆炸一樣來勢兇猛。這一“炸”，把大家“炸”興奮了！

實驗證實了觀測的結果符合北京市的實際情況，加上一次次詳實的實驗模擬資料和數值模擬結果，在眾多誘發霾汙染的前體物中，將優先控制的目標鎖定為氮氧化物的“氮氧化物中心說”，從假說上升到了科學理論！

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，觸發了燃煤產生的二氧化硫向顆粒物硫酸鹽轉化。但仍有一個重要的問題：怎麼促成轉化，究竟是什麼在起作用？王躍思團隊發現了一個新的氨氣來源。

氨氣是一種鹼性氣體，幾乎是大氣中唯一一種鹼性氣體，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，如果京津冀區域沒有氨，顆粒物汙染也不會那麼嚴重，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？一般認為， 70%以上的氨都是從農牧業來的，農業化肥使用揮發大約能佔30%，畜牧業養殖佔40%，人體佔9%。衛星觀測發現，在整個華北地區，氨的濃度越來越高。可對農牧業的現狀進行分析，發現農牧業的活動水平是下降的，應該會導致氨的排放量下降。大家一時間也弄不清楚究竟是怎麼回事。

農業的氨怎麼跑到城裡來了？城市氨氣為什麼逐年升高？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。

質疑的聲音也紛紛躍起。“汽車尾氣和燃煤等燃燒過程排放的氨僅佔很小的部分。”一位專門研究汽車工業的專家如是說。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，“我在國內外的文獻資料上，確實是看到過燃燒過程排放氨氣”。後續團隊用同位素分析法，終於論證了氨的來源。“在重汙染期間，氨並不是主要來自農牧業，而是來自工業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%。”這個結論的提出和系列證實過程，不僅讓整個團隊驚訝，國內外同行專家也心服口服。

隨後，好訊息接踵而來。

課題組廣州的同事去廣州的珠江隧道做實驗。“隧道里面只有汽車，很好得出結論。”一經檢測，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，發現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。”證實了！

應當讓顆粒物和臭氧濃度協同下降

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，燃煤總量已經低於500萬噸，二氧化硫年均濃度穩定保持在個位數；嚴控移動源汙染，降低氮氧化物排放，僅去年就查處了32。5萬輛次超標重型柴油車，是前一年的5。6倍；治理揚塵和揮發性有機物，利用科技手段提高監管，有序退出一般製造業和汙染企業……

連續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年北京繼續開展藍天保衛戰，PM2。5年均濃度降至51微克/立方米。

“可以說，透過這些年，顆粒物治理已經走上了‘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。”王躍思說，目前以至於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，像歐美等發達國家，至今都還未能解決臭氧問題，臭氧濃度仍會出現超標的情況。“他們關於顆粒物的問題在上個世紀90年代就解決了，顆粒物濃度已經能做到不反彈，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，未來也要透過調控臭氧來實現，使得顆粒物和臭氧濃度協同下降。“現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，也是一個更漫長的過程。”

臭氧的治理為何這麼難？王躍思回答：“因為有很大的不確定性。”原來，臭氧產生靠的是氮氧化物和揮發性有機物（VOCs）這兩種前體物。但有意思的是，這兩種前體物很“特別”。氮氧化物下降的時候，臭氧濃度反而會升高，“它倆是非線性關係，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”，王躍思說，“我們現在還在拋物線的前半段，也就是前坡，得到了後坡，才能實現。”

揮發性有機物和臭氧的關係也很奇妙。揮發性有機物越高，臭氧就越高，但反之揮發性有機物降低了，臭氧卻並不降低。

說起這個，王躍思也哭笑不得，因為揮發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，馬上就有後10種來替補，永遠有應接不暇的替補。”

“所以，臭氧是讓我們頭疼的一個難題，需要繼續深入研究。”王躍思說，今年北京市就要開始協同控制PM2。5和臭氧，“顆粒物濃度做到不反彈，也就算成功了一半。”