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清华教授解析:一天中什么时候雾霾最严重?

仪器信息网 2014/11/20 12:05:59 点击 22655 次
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[导读] 从这张图种可以看出,污染物在清晨也就是7点到8点间达到开始迅速增加,到10点开始进入线性增加期,而到傍晚时分开始下降,并于晚间回归较低的值,这一现象与我们前文提到的公式有很大关系。

  田埂(清华大学医学院 )

  生活在北方城市的人们近三年普遍感受到,雾霾的发生频率在不断增加,特别是2013年和2014年, 雾霾发生的次数之频繁,持续时间之长,污染程度之重都创下了记录,2013年1月北京发生了 PM2.5污染历史峰值,2014年1月发生了有记录以来持续时间最长的污染期,即便是在理论上不会出现雾霾的春夏两季雾霾也频繁发生。雾霾不仅困扰着人们的工作生活,也对人们的心理投下了巨大的阴影。应对雾霾,政府在做各种努力,例如出台了包括《北京市大气污染防治条例》等一系列政策,“京津冀”联动治霾等一致行动的确立, 科学家们也绞尽脑汁,针对雾霾展开了一些列研究,试图通过科学研究帮助人们了解雾霾,治理雾霾。但是至今人们依然无法回答一些基本的问题:雾霾到底从何而来,如何精确测试,如何避免;雾霾对人类的健康造成了哪些危害;而人类究竟如何在雾霾长期存在的情况下保护健康,少受危害。

  什么是雾霾?

  气象学上的定义:雾 (Frog): 近地面空气中的水汽凝结成大量悬浮在空气中的微小水滴或冰晶,导致水平能见度低于1公里的天气现象。相对湿度95%以上的低能见度;霾 (Haze): 大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中,使水平能见度小于10公里的空气普遍混浊现象,相对湿度小于80%。雾霾: 雾和霾的混合物,相对湿度80%-95%。通俗的讲:云是飘在天上的雾,雾是落在地上的云,霾也就是漂浮在空气中的细颗粒物。

  PM2.5(完整拼写为Particulate Matter2.5,称为细颗粒物)是指空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物,也称为可入肺颗粒物。PM10则是指空气动力学当量直径≤10微米的颗粒物称为可吸入颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分,但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比,PM2.5粒径小,富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、传输距离远,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

  雾霾真正被人们所认识,是从1952年伦敦雾霾事件和二十世纪40年代初期发生在美国洛杉矶的光化学污染开始,作为工业时代的的城市之伤,雾霾似乎伴随着人类工业化的脚步进入人们的生活,而人们与雾霾的斗争,一般都要持续数年。

  在北京的雾霾天,有时一天空气污染物的增加浓度最高达到200-400ug/m3。按北京市区面积为16807.8*106平方米计算,污染带正常在0-500米高度内变化不大,而从500米到1600米直线下降,所以平均厚度可以为1000米. 这样算下来,在雾霾天即一天积累的细颗粒物值大约总量(PM2.5):3360-6720吨。要想短时间去除数量如此庞大的污染物,必须从源头了解它的成因。

  雾霾是如何形成的?

  毫无疑问,化石燃料燃烧是我国PM2.5的重要来源,根据北京和上海两座城市环保局公布的统计数字,PM2.5成分中,40~75%的重金属来自化石燃料燃烧,超过50%的黑碳来自化石燃料燃烧,城市的一次排放中主要来源是燃煤、机动车等化石燃料燃烧。北京师范大学研究者2013年在《气溶胶和空气质量研究》杂志上发表的相关数据也证实了这一点。而要了解雾霾形成的过程,必须了解一个计算公式:

  从公式中我们可以看出,污染的浓度与以下几个因素相关:散发源散发出的污染物浓度,也就是气象污染物排放的量;散发的气象条件;化学成分以及沉降。当污染物从源头释放到空气中后,如果气象条件适合污染物在城市中较长时间的存在,而且在光和水等气象条件的作用下,细小的化学组分可能发生反应,形成颗粒物悬浮,这个过程叫做“成核作用”,通过成核作用,化学成分相互作用形成了新的颗粒物,从而造成二次污染。最后就是细小的颗粒物彼此碰撞反应,从而形成更大的颗粒,最后沉降下来落在地表。

  雾霾污染物的来源和成分分析

来自2011年北京市环保局发布数据北京市PM2.5排放源解析

来自2012年上海市环保局发布数据上海市PM2.5排放源解析

  2011年北京市环保局发布数据表明,在北京的颗粒物污染中,机动车排放的贡献为22%,燃煤排放17%,工业扬尘16%,工业设施16%,农业养殖和秸秆焚烧4.5%,周围输入(河北、天津)24.5%。而上海市环保局2012年发布数据表明 的数字,机动车排放25%,工业扬尘10%,工业设施15%,干洗、餐饮民用涂料5%,农业养殖和秸秆焚烧5%,周边影响20%。两座城市大同小异。

  2012年北京煤炭总使用量2000多万吨,其中四个大电厂用煤920万吨,工业加供热700多万吨,散煤400多万吨。大型电厂用煤都经过了脱硫等处理,相对来讲对空气污染的排放较少,工业加供热方面,国家采取了多项控制措施,排放也得到很好的控制,但是散煤使用则很难得到有效控制,污染贡献很大。没有净化设施的条件下,1kg煤可能产生16g到1600mg/Nm3的SO2(1%硫量)也可能同时产生 ~5g到500mg/Nm3的NOx(氮氧化物)。

  根据北京市环保局机动车排放管理处提供的数字,目前北京市535万辆机动车每年消耗燃油700多万吨,其中汽油400多万吨、车用柴油200多万吨;年排放污染物总量约90万吨,含碳氢化合物7.7万吨,氮氧化物8万多吨。而洛杉矶在发生光化学污染的数年间,其汽车保有量不过200万辆。

  化石燃料燃烧后最终的排放到空气中的污染物包括:NOx(氮氧化合物)、SO2(二氧化硫)、VOC(是指那些沸点等于或低于250℃的化学物质,易挥发)、CO、BC(Black Carbon黑炭)、OC(Organic Carbon有机碳)、NH3、CO2以及PM2.5等,形成了雾霾的初次排放。

  初次排放的这些污染物,在成核作用以及水和光的作用下,产生二次污染物,学术上叫做“新粒子:,新粒子的成分就比较复杂了,因为排放物本身成本就比较复杂,而二次反应的过程,是粒子在空气中随机碰撞作用的结果,这一过程产生大量细小粒子,空气动力学粒径在0.1-1微米之间的颗粒,这些颗粒在数量上和危害上都很大,而且非常难以防控。

  雾霾的健康危害

  权威杂志《柳叶刀》曾刊登过我国科学家终南山先生的文章,指出在我国因吸烟和固体燃料燃烧导致的可吸入颗粒物污染,将在2003-2033年间导致6千5百万人死于慢性肺病,1千8百万人死于肺癌;而权威杂志《新英格兰医学杂志》也曾发表过美国的数字,PM2.5的浓度减少10 μg/m3,预期寿命增长约0.61±0.20年。2010年美国环保部发表的《颗粒物的综合科学研究》中将颗粒物浓度与多种疾病关联,其中包括:呼吸道刺激,咳嗽,呼吸困难,降低肺功能,加重哮喘,慢性支气管炎,不规则的心跳,非致命性心脏发作,某些癌症等。 在全球致死的数字中,空气污染相关的疾病排在第8位,而我国则排在第4位;清华大学研究人员报道了2013年北京雾霾微生物,其中也存在引起感染的微生物。人们也形象的把雾霾引起的呼吸道刺激症状称为 “北京咳嗽” 。在雾霾天与雾霾相关的呼吸系统疾病门诊病例显著增加。

  虽然有多种研究表明空气污染与疾病的发生相关,但是正如荷兰乌德勒支大学的B.Brunekreef教授所言:到目前为止,我们一直无法找到一个或几个确定的组分是细颗粒物污染中对健康造成主要影响的,也没有充足的证据证明某种具体的成分的浓度对健康是无害的。

  一天中什么时候雾霾最严重?

  从这张图种可以看出,污染物在清晨也就是7点到8点间达到开始迅速增加,到10点开始进入线性增加期,而到傍晚时分开始下降,并于晚间回归较低的值,这一现象与我们前文提到的公式有很大关系,因为白天在水气和阳光的作用下,一次排放的污染物发生二次反应,从而快速积累,而人的活动也在白天达到高峰,排放物的增加和积累,促使污染在下午达到高峰,而晚间,由于光照的减少,二次反应降低,排放也因为人们的活动减少而降低,从而使得空气污染得到缓解。但是北京的雾霾曲线则与普通的空气污染曲线不同,空气污染往往在晚间达到峰值,而白天则处于不断积累的过程中。这也表明北京的空气污染有其特殊性,需要更详细的机制分析,才能最终解答来源的问题。

  室外雾霾对室内环境的影响

  王贝贝等2010年在《环境科学研究》中发表的文章显示,人们在工作日和休息日分别有57%和75%的时间在家居环境,室外的空气污染主要通过室内环境作用于人体。而根据清华大学建筑学院的研究结果,在门窗紧闭的情况下,室内PM2.5浓度大约为室外的1/2-2/3,而这部分颗粒,主要集中在0.1~1微米的粒径范围,也就是室外污染物中那些粒径小毒性大的颗粒会进入室内。当然,这也跟建筑物本身的密闭性,门窗开启的频率等相关,颗粒物从室外到室内的过程,可以通过穿透系数来计算。

  如何在室内消除雾霾影响?

  常规保证室内清洁的方法有两种,一种是正压环境,例如医院的ICU病房或超净实验室,让室内的压力大于室外,这样室外颗粒就无法进入室内;一种是空气过滤,将室内的空气通过过滤装置净化,只要室内净化装置的净化效率大于室外污染物渗入的速度,那么室内就可以保持洁净。对我们生活在北京的普通人而言,把家或者办公室装修成“正压环境”显然从经济投入到可操作性都不现实,开启空气净化器无疑是最简洁和方便的解决办法,每天开窗通风完后,对室内环境进行10~20分钟的高功率净化,将室内颗粒物进行快速清除,而后维持一定的净化功率,就可以达到较好的净化效果 。

  如何选择和正确使用空气净化器?

  目前市面上常见的净化设备,就其原理主要分过滤(通过滤材拦截颗粒)和静电除尘(静电力吸附颗粒,电场中释放除尘)两种。静电除尘的优势是阻力低、不需更换滤材,但是其工作原理决定其除尘过程会产生臭氧,造成二次污染,因此不推荐使用。而通过滤膜的过滤优势是副产物少,有效去除各类颗粒物,而劣势则是需定期维护(更换滤料),阻力大,而工业界也对滤膜过滤的仪器开放更感兴趣,使用者的接受度也更高,产品种类更丰富一些。

  CADR(Clean Air Delivery Rate,洁净空气输出比率),是美国家电制造商协会(AHAM)按照严格的测试标准进行测试得出的空气净化器输出洁净空气的比率。CADR数值越高,则表示净化器的净化效能越高。由此可见,虽然市场上有好多这样那样的空气净化产品,但只要用这两个条件去衡量,就能区分出来哪种更好。

  除了CADR值之外,当我们采购一台空气净化设备时,我们还要考虑价格和功耗等因素,这里提供一个计算公式,也就是CADR值/(功率*价格),得到的值越大越好。

  采购到合适的净化设备,不只要了解如何挑选性价比高的空气净化器,还要考虑到房屋的面积(体积),开启和使用时间,以及净化器的摆放位置等。我们举一个例子,如果我们把自己正面面对空气净化器的进气口,那么净化器抽气过程中聚集的粒子就被我们呼了进去,而被空气净化器净化的空气,则离我们较远。

  雾霾中还有哪些“危险分子”?

  2014年初,清华大学的研究者对2013年历史雾霾峰值期间收集的PM10和PM2.5样本进行了宏基因组研究,发现了雾霾中的1300种微生物,发现空气中的微生物大部分都来自土壤,最丰富的门类是放线菌,变形杆菌,绿弯菌,厚壁菌,拟杆菌,和广古菌。其中有3种可引起疾病的微生物, 包括肺炎链球菌,烟曲霉,和人腺病毒C。肺炎链球菌最常见于社会获得性肺炎(CAP ) ,在将近50%的的社会获得性肺炎中可分离出肺炎链球菌。而烟曲霉,以孢子的形式存在,被认为是一种主要的引起过敏的真菌,是免疫缺陷的人群气道或肺的条件致病菌。这两种病原微生物在重度污染天都有增加。

  治理雾霾,我们应该怎么做?

  从成因来讲,雾霾问题其实就是能源问题,而能源问题归根结底是发展问题,治理的方式就是转变发展的模式,实现经济增长方式的转变,能源消费结构改善,减少污染物排放,清洁能源的普及,能源利用率的提高。这是一个长期的过程,需要多年的努力。

  短期来讲,在雾霾发生过程中,我们应该做到更好的“清洁调度”,建立相应的清洁调度机制和技术手段,实现在预测基础上的应急清洁调度:不是基于成本,而是基于污染物排放的调度方式。专门针对严重污染期,进行清洁能源的储备,在应急期采用清洁燃料,减少燃煤量,用燃气替代煤炭;提高燃煤锅炉脱硫、脱硝和除尘的效率;减少汽车数量;工业生产整体合理安排; 建筑工地停工安排等。

  而对于我们个人,应该极力提倡低碳环保的生活方式。使用清洁能源、出行乘坐轨道交通、使用环保用品、控制和减少用电等等,从我做起践行绿色生活,也是在为治理雾霾做贡献。

  (本文整理自清华大学医学院的雾霾研讨会,作者授权赛先生刊发)

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