復(fù)旦學(xué)者揭示大氣污染新粒子形成機(jī)制
?復(fù)旦大學(xué)王琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)揭示大氣污染新粒子形成的化學(xué)機(jī)制，圖片來自china.org.cn
撰文 | 鞏持平
責(zé)編 | 葉水送
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近些年來，國內(nèi)霧霾事件頻繁發(fā)生。理解霧霾形成的機(jī)制，是防控霧霾的重要一步。
最近，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系教授王琳和他的科研團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)告并證實(shí)大氣污染納米微細(xì)粒子（硫酸-二甲胺-水）形成的新機(jī)制，為我國大氣顆粒物污染防治政策的制定提供了新的科學(xué)證據(jù)。
?大氣污染納米微細(xì)粒子形成的新機(jī)制被揭示，圖片來自sciencemag.org
工廠和汽車的尾氣排放是造成PM2.5顆粒物污染的主要原因之一。“這是由人類活動(dòng)或者自然活動(dòng)所帶來的大氣顆粒物直接排放，我們的‘術(shù)語’稱之為‘一次排放’?！蓖趿战榻B說。
除了“一次排放”，在空氣當(dāng)中，時(shí)常發(fā)生著的，還有顆粒物的“二次形成”。相較于“一次排放”，“二次形成”過程較為復(fù)雜?！啊涡纬伞尨髿庵械念w粒物變得更‘重’、更‘多’。”王琳表示。
“更多”意味著會(huì)有新的粒子形成，而污染城市大氣中的新粒子形成事件的化學(xué)與物理機(jī)制一直不甚清楚。
這主要與“二次形成”的新粒子發(fā)現(xiàn)困難有關(guān)。在大氣新粒子的形成過程中，從小于1納米的氣態(tài)前體物分子到1-2納米左右的分子團(tuán)簇再到幾個(gè)納米的納米微細(xì)粒子，質(zhì)量和粒徑都十分微小，其大氣混合比更是在兆分之一（10-12）以下。除此以外，從測(cè)量到識(shí)別再到形成機(jī)制的推導(dǎo)，每一個(gè)步驟的推進(jìn)都是一次“拓荒”。
從2014年3月到2016年2月，王琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)在上海開展了長(zhǎng)達(dá)兩年的連續(xù)大氣觀測(cè)?！拔覀兙驮趶?fù)旦大學(xué)邯鄲校區(qū)第四教學(xué)樓的樓頂做（實(shí)驗(yàn)），那里有一個(gè)環(huán)境系的大氣超級(jí)觀測(cè)站?！钡@一技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未發(fā)展到高度自動(dòng)化的“黑箱”階段，只有使用者對(duì)儀器有深入了解并積累了豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，才能在一定程度上保障測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。
2015年至2016年冬季，他們還使用了包括飛行時(shí)間質(zhì)譜在內(nèi)的更多儀器設(shè)備，進(jìn)行了加強(qiáng)觀測(cè)，積累了數(shù)百G的數(shù)據(jù)。此后，該團(tuán)隊(duì)和來自芬蘭赫爾辛基大學(xué)的合作者用了一年半的時(shí)間，對(duì)收集來的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的整理和深入的分析。
?外場(chǎng)觀測(cè)所測(cè)得的大氣新粒子形成速率與實(shí)驗(yàn)室模擬類似
最終，王琳?qǐng)F(tuán)隊(duì)測(cè)得了上海城市大氣中1-700 納米區(qū)間大氣顆粒物的粒徑分布濃度，獲得了大氣新粒子的形成速率和成長(zhǎng)速率；以及測(cè)量了大氣新粒子形成事件期間大氣中性和帶電分子團(tuán)簇的化學(xué)組分。
大氣新粒子到底是如何形成的？研究者發(fā)現(xiàn)，一個(gè)氣體硫酸分子和一個(gè)二甲胺分子隨機(jī)碰撞，通過氫鍵形成穩(wěn)定的分子簇，分子簇通過與其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺團(tuán)簇的碰撞繼續(xù)生長(zhǎng)；一定尺寸以后，其他物質(zhì)開始加入這個(gè)過程，并最終形成大氣新粒子。硫酸-二甲胺-水三元成核機(jī)制可以用于解釋我國典型城市大氣中的大氣新粒子形成事件。
王琳希望，在現(xiàn)有的硫酸-二甲胺-水三元成核化學(xué)機(jī)制框架下，能進(jìn)一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的前體物主控因素，理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關(guān)系，從而助力國家推出更有針對(duì)性的污染防控措施。
相關(guān)文章：
Yao L et al. Atmospheric new particle formation from sulfuric acid and amines in a Chinese megacity. Science,2018.361, 278-281. DOI: 10.1126/science.aao4839.
