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从133倍于地球人口的气体分子中找出最关键的2个,上海科学家解密污染粒子如何形成
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来源:上观新闻 作者:彭德倩 巩持平 2018-07-20 14:33
摘要:大气新粒子形成事件的化学与物理机制一直是一个未解之谜。

城市大气污染物中的纳米微细粒子,是怎样在无数空气分子中出现的?历经多年实验观测分析,复旦大学环境科学与工程系王琳教授团队首次发现并证实了我国典型城市大气中的硫酸-二甲胺-水三元成核现象,揭秘其形成机制,这一探索,为我国大气颗粒物污染防治政策的制定提供了新的科学证据。

 

在此之前,污染城市大气新粒子形成事件的化学与物理机制一直是一个未解之谜。对于他们的发现,王琳教授打比方:“这相当于我们从133倍于地球人口数的气体分子中找出了最关键的那2个,一个是硫酸分子,另一个是二甲胺分子,他们碰到一起,就可能发生大气新粒子形成事件了。”7月20日,研究结果以《中国典型超大城市的硫酸-二甲胺大气新粒子形成事件》(“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”)为题发表于在国际顶级学术期刊《科学》(Science)。复旦大学环境科学与工程系博士生姚磊、芬兰赫尔辛基大学博士生奥尔加·加尔马什(Olga Garmash)为共同第一作者,王琳为通讯作者。

 

大气污染始终关系国计民生的重要议题。在大众观念中,工厂和汽车的尾气排放是造成PM2.5颗粒物污染的主要原因之一,“这是由人类活动或者自然活动所带来的大气颗粒物直接排放,我们的‘术语’称之为‘一次排放’。”王琳介绍说,除了“一次排放”,在空气当中,时常发生着的,还有颗粒物的“二次形成”。

外场观测所测得的大气新粒子形成速率与实验室模拟的对比。

相较于“一次排放”,“二次形成”过程较为复杂。其形成过程大致分为两种:第一种过程指空气中的挥发性气体可通过化学反应生成饱和蒸气压较低的反应产物,这类物质会凝降在已有颗粒物的表面上,增加颗粒物的质量浓度;而另一种过程则会大幅增加颗粒物的数量浓度,大气中部分气体分子随机碰撞,通过分子间作用力或化学键而生成分子团簇,分子团簇的进一步生长则形成了纳米微细粒子,也就是大气新粒子,期间发生从气体到凝聚态的相变;这些纳米微细粒子的继续生长,则可以造成大气PM2.5污染。“‘二次形成’让大气中的颗粒物变得更‘重’、更‘多’,我们课题组目前主要关注变‘多’的过程,研究城市空气中的大气新粒子是怎么形成的。”王琳说。

 

近年来,相对洁净大气中的大气新粒子形成事件的大气化学机制被逐渐建立。然而,城市大气因其成分的复杂性和多样性,其中的大气新粒子形成事件的特征与洁净大气中的该类事件有着显著区别。在大气新粒子的形成过程中,从小于1纳米的气态前体物分子到1-2纳米左右的分子团簇,再到几个纳米的纳米微细粒子,质量和粒径都十分微小,其大气混合比更是在兆分之一(10的-12次方)以下,这给科研人员开展原位、实时的测量提出了极大的实验挑战。

 

利用国际上最新发展的纳米颗粒物粒径放大技术,从2014年3月到2016年2月,王琳团队针对这一难题在上海开展了长达两年的连续大气观测。“我们就在复旦大学邯郸校区第四教学楼的楼顶做(实验),那里有一个环境系的大气超级观测站。”但这一技术还远远未发展到高度自动化的“黑箱”阶段,只有使用者对仪器有深入了解并积累了丰富的使用经验,才能在一定程度上保障测量数据的准确性和真实性。

 

研究结果表明:在我国典型城市上海大气新粒子的形成过程中,一个气体硫酸分子和一个二甲胺分子随机碰撞,通过氢键形成稳定的分子簇,分子簇通过与其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺团簇的碰撞继续生长;一定尺寸以后,其他物种(例如极低挥发性有机化合物)开始加入这个过程,并最终形成大气新粒子。

 

“做环境研究的,讲究做出来的科研成果在真实环境中有应用,是在真正的环境中发生的过程,而不是一个只会在实验室中发生的科学实验。”王琳认为,在中国典型的城市环境中,除了加强对污染物一次排放的监测和管理,对污染物的二次形成也应予以同样程度的关注和重视。从更大的维度来看,将对这一机制的理解运用于全球气候模式中,能够更好地模拟全球大气颗粒物乃至云凝结核的数目,进而理解整个地球的气候变化趋势。

 

据悉,在现有的硫酸-二甲胺-水三元成核化学机制框架下,课题组将进一步探究我国城市大气新粒子形成事件中的前体物主控因素,理解城市大气新粒子形成事件与雾霾形成的关系,从而助力推出更有针对性的污染防控措施。

栏目主编:徐瑞哲 文字编辑:徐瑞哲 题图来源:视觉中国 图片编辑:曹立媛
文中图片来源:论文作者提供
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