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撰文 | 趙維杰

翻譯 | Hills

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2020年，新冠疫情在9個月內(nèi)就奪走了超過100萬人的生命。隨著各地封城，交通出行減少，人們被迫居家辦公并且保持社交距離，全球劇變。 這些控制措施還大大減少了各種空氣污染物的排放，為研究人員提供了一次前所未有的大規(guī)模自然實驗，去觀察各種措施如何影響空氣質(zhì)量。在2020年9月22日舉辦的這次NSR論壇中，五位空氣質(zhì)量和氣溶膠領(lǐng)域的專家聚集在一起，討論了他們的觀察和分析，以及公眾對空氣傳播的理解和誤解。 

本文獻給倫敦帝國理工學(xué)院的馬丁·威廉姆斯教授（Prof. Martin Williams），他原計劃參加此次論壇，但在論壇前一天不幸離世（不是因為新冠）。

朱彤：自疫情爆發(fā)以來，許多國家實行了多重限制，極大地改變了我們的生活方式和空氣污染物的排放方式。在過去的幾個月中，空氣污染發(fā)生了怎樣的變化？您有哪些觀測結(jié)果？

Brasseur：我們用多種方法來追蹤空氣質(zhì)量的變化，包括衛(wèi)星和地面觀測站。2020年1月23日左右，中國最先開始封城，暫停大量社會活動。利用搭載在哨兵5號衛(wèi)星（Sentinel-5 Precursor）上的 TROPOMI（對流層監(jiān)測儀 ）以及其他地面儀器，我們發(fā)現(xiàn)在封城開始后，中國的NO₂濃度立即下降了40％–50％ [1]。

后來，在歐洲和其他地區(qū)，我們也觀察到了NO_x的減少。但是由于各地封城政策不同，減少幅度因地區(qū)而異。在歐洲的某些國家/地區(qū)，我們觀測到較大減幅，但是在歐洲其他地區(qū)以及美國等國家/地區(qū)，減少幅度較為有限。

有趣的是，在中國北部，即便大多數(shù)地方的NO₂和PM（顆粒物）水平均有所下降，但也有一些例外。在包括北京在內(nèi)的某些地區(qū)，我們觀察到臭氧和PM在二月初達到了峰值。這些意外觀測值出現(xiàn)的原因是什么？這些增加的PM是一次顆粒物（在地表排放）還是二次顆粒物（通過某些化學(xué)機制在大氣中生成）？

朱彤：是的，2月初出現(xiàn)PM_2.5峰值時，我們都非常意外。有人問，為什么在疫情封城期間我們的PM反而增加？這是否意味著我們此前為控制PM而采取的所有措施都是沒有用的？

丁愛軍：我們在《國家科學(xué)評論》（National Science Review ） [2]中發(fā)表的一篇論文就是想要解答這些問題。我們收集了來自中國50多個城市的PM_2.5化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)許多城市的硫酸鹽和二次顆粒物有顯著升高。

基于這些觀察，我們提出了一個概念模型。首先，在封城期間，NO_x的減少比VOCs（揮發(fā)性有機化合物）的減少更為顯著。這導(dǎo)致氮氧化物的滴定作用減弱，從而減少了臭氧的消減，因此大氣中臭氧濃度升高。同時，日間的臭氧產(chǎn)生和氧化能力在小范圍內(nèi)增加，使日間的OH自由基和夜間的NO₃自由基濃度增加。于是，大氣的氧化能力增強（包括臭氧以及OH和NO₃自由基的增加）將促進二次顆粒物的形成。當(dāng)時，整個中國東部都出現(xiàn)了這種大氣氧化能力的增強，而北京及周邊地區(qū)剛好處于這些地區(qū)的下風(fēng)帶，由南方輸送來的二次顆粒物加劇了2月出現(xiàn)的北方霧霾。

朱彤：在給出的模型中，NO_x的減少要比VOCs的減少更顯著。這其中的原因是什么？

丁愛軍：這是我們使用自下而上的方法，考慮人類活動數(shù)據(jù)而做出的排放量估算結(jié)果。主要原因在于，交通運輸?shù)?span style="letter-spacing: 1px;font-family: Times;">NO_x排放量大幅減少，在中國東部的超大城市中，這一點尤為突出。但是在中國南部有另一個原因。中國南部氣溫較高、森林也更多，有高濃度的生物源VOCs排放。

Brasseur：NO_x的排放量與交通運輸有很大關(guān)聯(lián)。如果我們看一看詳細(xì)的排放地圖，就會發(fā)現(xiàn)道路附近的NO_x排放量很大。但是VOCs有多種不同的排放源，所以它的排放在地理上的分布較為分散。比如，VOCs的一個主要排放源是工業(yè)溶劑的蒸發(fā)，但是在封城期間，工業(yè)溶劑的使用量沒有像交通量那樣大幅度減少。VOCs的種類和來源很多，它們的排放量變化也各不相同。

曹軍驥：我們在西安市做了很多高分辨率的排放源解析研究。我們發(fā)現(xiàn)，有三類排放顯著下降，包括道路和建筑工地排放的灰塵，工業(yè)排放和本地排放 。但是在疫情期間，某些排放源也呈上升趨勢。例如，住宅供暖的排放增加了，因為在中國的春節(jié)期間，呆在家里的人變多，有些人燒煤炭和生物質(zhì)燃料來給房屋供暖。

Morawska：是的，而且很多地方并沒有大幅暫停能源生產(chǎn)。這也可能是VOC排放保持穩(wěn)定而沒有明顯變化的原因之一。

朱彤：謝謝大家的解釋。我們可以看到，不同化學(xué)物質(zhì)排放比例的變化也能夠解釋世界不同地方的PM和臭氧的不同變化趨勢。

朱彤：我們談了很多中國的情況，尤其是臭氧和PM復(fù)雜的變化趨勢。在其他國家有沒有觀察到這種趨勢？

Brasseur：我們在歐洲看到了與中國相似的臭氧變化模式。在中國北方，臭氧一直在增加，但在中國南部，盡管廣州和香港周圍地區(qū)的臭氧有所增加，但臭氧在總體上卻在減少。在歐洲，我們也看到北部的臭氧增加，而南部的臭氧減少——即使各地的NO_x都在減少。

一開始我們認(rèn)為歐洲的情況與我們兩個月前在中國所觀察到的情況是類似的。我們認(rèn)為北部的氣候更接近于冬季，光化學(xué)反應(yīng)不太活躍，而在南部則接近夏季，有更多的太陽輻射。我們解釋說，滴定作用降低導(dǎo)致了北歐臭氧濃度的增加，而在南歐，疫情期間NO_x濃度下降，光化學(xué)合成減慢，臭氧濃度降低。

但是實際上，我們后來發(fā)現(xiàn)，歐洲的這些反?，F(xiàn)象在很大程度上與當(dāng)時特定的氣象情況有關(guān)。在三月和四月間，歐洲北部有大量的太陽輻射，但是在南部，特別是在西班牙，出現(xiàn)了大量的云層（伴隨著雨水），如此一來光化學(xué)反應(yīng)過程減緩，從而減慢了臭氧的形成。西班牙另一個研究小組也證實了這一點。

因此，重要的是，當(dāng)我們進行分析時，要特別考慮到特定情況下的大氣氣象狀態(tài)。

Morawska：我作為學(xué)術(shù)期刊的副主編以及審稿人，讀了許多有關(guān)新冠疫情中空氣狀況的論文。全球范圍內(nèi)，人們普遍觀察到NO_x的減少。大多數(shù)論文記錄了某些污染物的濃度變化，并試圖將這些減少與交通管制聯(lián)系起來。但是，幾乎沒有人對復(fù)雜的臭氧和PM情況做出合理的分析，這兩者在很大程度上不是由交通直接排放的，而是受到氣象及其他因素的影響。

我認(rèn)為地域是極為關(guān)鍵的影響因素。關(guān)鍵是要了解哪些污染源在起作用，而哪些沒有。例如，曹老師剛剛談到了中國的住宅供暖，而在澳大利亞沒有這種情況。南半球還是夏天，沒有供暖。

封城也是一個主要區(qū)別。許多城市都宣稱自己處于管制狀態(tài)，但是如果你去看城市的主干道，你會看到雖然出行的人變少了，但是交通并沒有完全停止。因此，我們應(yīng)該了解哪些污染源在發(fā)生改變，這樣才能真正了解情況。

朱彤：是的，不同地區(qū)出現(xiàn)的情況不同。正如已經(jīng)提到的，特定的氣象因素和其他因素也可能會導(dǎo)致不同地區(qū)的不同反應(yīng)。

Brasseur：中國從很早就開始封城，那時候還是冬天。歐洲和美國在春季和夏季才開始封城。所以我們處于不同的化學(xué)系統(tǒng)中。如果由于某些原因，中國從4月或5月才開始封城，那么我們可能不會看到臭氧增加，反而可能會有所減少。

我們使用了全球地球系統(tǒng)模型來評估疫情期間大氣對減排的反應(yīng)。如果減少模型中工業(yè)和交通運輸?shù)呐欧?，就能夠模擬出從2020年1月至2020年3月在中國觀察到的情景。這些模型還能推算出，北半球和南半球的大多數(shù)地區(qū)在這一季度后期（4月到6月），地表臭氧濃度會下降。我們還在分區(qū)域仔細(xì)研究。

我們應(yīng)該特別注意氣象情況，因為像在歐洲那樣，在幾周或幾個月內(nèi)可能會出現(xiàn)一些特殊或反常的情況。因此，我們需要根據(jù)世界不同地區(qū)的特定氣象站進行局域分析。

朱彤：我們在這次疫情中獲得了很多數(shù)據(jù)，可以看作是一次大規(guī)模的自然實驗。我們暫停了很多活動，并且看到了由此產(chǎn)生的變化。所以我的下一個問題是：這些新數(shù)據(jù)如何能夠幫助優(yōu)化當(dāng)前模型？

Brasseur：計算機模擬主要有兩種類型：正向模擬（forward modeling）和反向模擬（inverse modeling）。

這次疫情中，最大的未知因素是我們不確定排放量到底變化了多少。反向模擬可以幫助我們研究這個問題。我們可以將觀測到的大氣化學(xué)組分信息與詳細(xì)的化學(xué)傳輸模型結(jié)合起來，利用逆向建模，反推出封城期內(nèi)排放量減少了多少。通過這種自上而下的方法，我們可以估算出不同的排放源發(fā)生了怎樣的變化，以及在不同的國家，排放量怎樣受到疫情的不同影響。我很高興聽到中國已經(jīng)進行了一些這類研究，我們也在開展類似的工作。

另一方面，我們也可以估算封城期間排放量的變化，并應(yīng)用正向模擬，推演出臭氧、PM和其他化學(xué)物質(zhì)的濃度變化，并比較模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果的異同。這樣我們就可以測試模型是否合理。如果我們要測試一個模型，就一定要地將其應(yīng)用于非一般或者反常的情況。如果在這樣極端的情況下，模型仍與實際相符，那么就可以相信模型的準(zhǔn)確性。但是，如果我們的模型與實際情況不符——這也是最有趣的情況——那么我們就可以開始反思：我們漏掉了什么？模型中有什么沒包含的機制？這就是科學(xué)進步的過程?，F(xiàn)在我們正在見證的大型實驗就是一個難得的機會，可以將我們的模型應(yīng)用于一個從未出現(xiàn)過的、相對極端的情況，除非未來再有一次疫情，否則以后可能也不會再有這樣的機會。

丁愛軍：在模擬研究中，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有模型在模擬臭氧和硝酸鹽的變化方面很成功，但是要再現(xiàn)中國的硫酸鹽和SOA（二次有機氣溶膠）的變化仍然非常困難。很多年來這一直是個難題，我認(rèn)為可能有些沒有考慮到的因素。例如，也許我們忽略了發(fā)電廠的主要排放物或硫酸鹽的快速形成，也許我們還沒有完全理解SOA的生成機制，或者有一些新發(fā)現(xiàn)的機制還沒有被納入模型中。要改進模型，我們還有很多工作要做。

朱彤：謝謝大家的討論。疫情為我們提供了一個獨特的天然機會來測試和改進模型。有些人可能想知道：我們現(xiàn)在是否能夠利用正向模擬來預(yù)測空氣質(zhì)量的發(fā)展趨勢？

Brasseur：我們可能無法預(yù)測未來幾個月會發(fā)生什么，因為我們不知道人們的行為方式會怎樣變化，不知道輸入源會怎樣變化。但是，我們可以在某些可能的情境下做出一些預(yù)測。例如，如果疫情再持續(xù)一年、兩年甚至三年，我們可以預(yù)計出排放量的變化，并預(yù)測我們的環(huán)境系統(tǒng)和空氣質(zhì)量將會做出何種響應(yīng)。

朱彤：有一些論文討論了空氣污染是否會促進病毒傳播的問題。您對此有何看法？

Morawska：這是一個很有爭議的話題。在疫情初期，有很多文章將空氣質(zhì)量與病毒的傳播聯(lián)系起來，聲稱不良的空氣質(zhì)量大大加劇了疫情。但是，這些研究中的大多數(shù)都只是在進行簡單的關(guān)聯(lián)，而沒有仔細(xì)地探究原因。這些論文備受爭議，其中一些已被撤回。

實際上，室外的空氣污染物顆粒極不可能成為病毒傳播載體，因為污染物顆粒通常比病毒載體小得多。但是我們確實發(fā)現(xiàn)在空氣質(zhì)量差的地區(qū)，人們更容易感染這一病毒?？諝馕廴静粫苯咏閷?dǎo)病毒傳播，但是可以提高人們的病毒易感性——我想這是對這二者之間關(guān)系的合適概括。

曹軍驥：我同意你的意見。通常，不良的空氣質(zhì)量會對人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響，并促進病毒感染。高濃度的PM，SO₂和NO_x均對人體健康有害。但是臭氧可能是一個例外。我們與中國科學(xué)院武漢病毒研究所進行了聯(lián)合研究，發(fā)現(xiàn)臭氧分子可以在一定條件下殺死空氣中的病毒。因此，在討論空氣質(zhì)量時，我們需要區(qū)分不同的指標(biāo)。

也有研究表明，空氣質(zhì)量或空氣狀況（例如氣溫和濕度）會影響病毒在空氣中的存活時間。這些因素的影響很復(fù)雜，一些研究得出的結(jié)果還很有爭議。無論如何，我們應(yīng)該考慮這些因素并進一步驗證它們的影響。

Brasseur：Morawska說，空氣微粒不太可能是病毒載體。這是否意味著，如果我在一個被感染者離開房間之后進入這個房間，不會有病毒懸浮在空中，我也不太可能被感染？

Morawska：不。您說的是氣溶膠傳播或空氣傳播，這已被證明是新冠病毒的主要傳播方式。但在這種情況中，攜帶病毒的氣溶膠顆粒是由患者的呼吸產(chǎn)生和釋放的，而不是我所說的室外空氣污染物顆粒。

朱彤：您的解釋非常清楚。我對空氣傳播還有一個疑問。許多研究在醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)了攜帶病毒的氣溶膠，但是我們是否有強有力的證據(jù)來說明這些氣溶膠顆粒中含有足夠多的有活性的病毒，足以傳播疾??？

Morawska：這是一個 “先有雞還是先有蛋” 的問題。醫(yī)院通常通風(fēng)良好，因此盡管有患者存在，在醫(yī)院中測得的病毒濃度不一定很高。在其他一些研究中，研究人員進行了回顧性分析，測量了發(fā)生過疫情傳播的地點的病毒濃度。但是，我們無法預(yù)測疫情的爆發(fā)，也無法測量在發(fā)生傳播時的確切濃度。

但是，已經(jīng)有許多研究證明這些氣溶膠中存在活病毒。許多關(guān)于疫情的模擬和分析也有力地說明，空氣傳播是最合乎邏輯的解釋。

朱彤：當(dāng)微粒中的水蒸發(fā)，鹽濃度升高時，病毒會被殺死嗎？

Morawska：對此有很多討論。實際上，這種蒸發(fā)過程發(fā)生的速度非?？臁坏揭幻搿Ｒ虼?，如果蒸發(fā)能夠殺死病毒，那么就幾乎不可能發(fā)生空氣傳播。但是空氣傳播確實發(fā)生了，這就意味著病毒可以應(yīng)對這種鹽度的增加。

朱彤：在室外，空氣傳播的可能性如何？戶外安全距離應(yīng)該是多少？

Morawska：通常來說，室外的風(fēng)險要低得多，除非人與人之間的距離很近。因為病毒會很快被稀釋，被感染者傳播出的病毒濃度將很快下降到傳染性標(biāo)準(zhǔn)以下。此外，由于紫外線輻射和其他因素，病毒在戶外的穩(wěn)定性較差。

丁愛軍：天氣會影響室外感染的可能性嗎？例如，霧或者風(fēng)？

Morawska：感染的可能性取決于病毒濃度和暴露時間。因此，我認(rèn)為可能會有很多影響因素，包括風(fēng)，與感染者之間的距離以及在一起的時間。但如前面所講，一般來說，戶外感染的可能性較低。

朱彤：為防止空氣傳播，最有效的措施是戴口罩。但是對此也有很多不同的聲音。您對此有何看法？

Morawska：口罩無法將風(fēng)險降為0，但確實非常有效。我認(rèn)為，應(yīng)該教會大家正確佩戴口罩的方法。有些人只是把口罩戴在鼻子下面，而另一些人則一直戴著口罩，而這是不必要的。實際上，如果你在公園或街道上一直戴著口罩，這之后，當(dāng)你進入購物中心或擁擠的公交車上時，你已經(jīng)戴了很長時間的口罩，這是你就可能會厭倦，開始不正確地佩戴，這樣就會很危險。

Brasseur：在德國，我們的做法跟您的建議完全相符。我們在街上通常不帶戴口罩，但是在進入商店前或與他人接近之前我們會戴上口罩。

但是還存在接受度的問題。在中國，人們的接受程度很高，但是在許多其他國家，例如美國，許多人認(rèn)為他們需要自由。這已經(jīng)成為了一個政治問題。在德國，盡管人們普遍認(rèn)同新冠疫情是嚴(yán)重的公共衛(wèi)生事件，但仍有街頭游行示威活動發(fā)生，這些人聲稱疫情是政府為限制其自由而編織的謊言。他們聲稱新冠只是一種大型流感，在辦公室正常工作、與朋友們在酒吧共度夜晚才更為重要。對于理智的人和政府官員來說，要說服所有人相信新冠疫情是醫(yī)學(xué)問題而不是政治問題，是很困難的事情。

（編者注：以上言論僅代表專家個人的看法和建議，請大家根據(jù)相關(guān)防疫要求謹(jǐn)慎正確地佩戴口罩）

朱彤：新冠疫情已經(jīng)持續(xù)了七個多月，而且仍然沒有停止的跡象。我們今天最后的問題是，疫情會如何改變科學(xué)研究、生活方式以及整個社會？

曹軍驥：我認(rèn)為疫情將會對未來幾年內(nèi)的空氣質(zhì)量產(chǎn)生積極的影響。在疫情期間，政府和公眾都更加關(guān)注室內(nèi)外的空氣質(zhì)量以及氣溶膠及其對健康的影響。所以在將來，有關(guān)空氣質(zhì)量和氣溶膠的研究將會得到更多的支持。我們應(yīng)該借此機會，去解決將來可能造福于社會的重大科學(xué)問題。

Morawska：我們的確開始更加關(guān)心室內(nèi)空氣質(zhì)量。我們正在努力改變思維方式，在設(shè)計建筑物或其他封閉的公共空間時，我們開始考慮如何減少呼吸系統(tǒng)疾病在建筑物中的傳播。

對于整個社會，無論如何，這次疫情都將帶來變革。這是來自歷史的經(jīng)驗。在歷史上的每次重大疫情之后，世界都會發(fā)生巨大的改變。毫無疑問，在新冠之后，方方面面都會變化。一個明顯的改變是，我們將更多地在家工作而不是在辦公室工作。我們將不會再回到原有的體系。但是，目前還難以預(yù)測其他變化。也許人們長途旅行的頻率會減少，也許我們將了解到節(jié)約能耗的好處，也許我們將嘗試建設(shè)交通較少的城市。我知道巴黎正在建立無交通的試點區(qū)域，這次疫情可能會推動這類嘗試。

Brasseur：我同意疫情將帶來變革，而且許多變化在一定程度上是不可逆的。但我還想說，其中一些變化不是由疫情造成的，而是被疫情所加速的。例如，很多人在疫情之前就開始在家工作，疫情僅僅提供了加速這一變化的機會。

另一方面，人們的記憶并不長久，我認(rèn)為人們會在很大程度上回到 “正常生活”。在德國，幾個月來我們一直處于疫情低發(fā)狀態(tài)，人們已經(jīng)重新開始去地中海小島上度假。享受社交可能是人類的天性，對于社會科學(xué)家們來說，研究世界不同地區(qū)的不同反應(yīng)方式可能會是很有趣的課題。

最后，我想說的是，很多年前我們已經(jīng)知道將來會發(fā)生病毒大流行，但是我們幾乎沒有采取任何措施來預(yù)防，或者至少做好準(zhǔn)備。我們只是在等待，什么也沒做。氣候問題和我們星球面臨的其他巨大挑戰(zhàn)也是如此。我們知道氣候變化將成為現(xiàn)實，并將在未來對社會產(chǎn)生更大的影響。我們應(yīng)該從這次疫情中吸取經(jīng)驗，要將目光放得更加長遠(yuǎn)，并在當(dāng)下就采取行動。

朱彤：中國也在逐漸恢復(fù)正常。在街頭等許多場合，很多人開始不戴口罩。這可能是一個好兆頭，表明疫情已經(jīng)得到了控制，但也可能帶來風(fēng)險。

將來，當(dāng)下正在發(fā)生的一些變化將繼續(xù)使我們受益，例如居家辦公和在線會議，或者線上-線下結(jié)合的會議，對我們來說，這些改變都使工作和生活更加方便。疫情也促進了這類技術(shù)的發(fā)展。

很感謝大家參加今天的討論。這次疫情提供了一次獨特的大型自然實驗，并為加強我們在空氣質(zhì)量控制和空氣傳播方面的研究提供了機會。希望我們接下來的研究能夠使我們的社會受益，并為未來的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。

 參考文獻

1.Shi XQBrasseur GP. Geophys Res Lett 2020; 47: e2020GL088070.

2.Huang XDing AJGao J et al.  Natl Sci Rev 2020, doi:10.1093/nsr/nwaa137.

 制版編輯 | 盧卡斯