北大胡敏 北大环境科学与工程学院胡敏课题组在PNAS上发文揭示北京霾形成机制

2017-10-17
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北大环境科学与工程学院胡敏课题组在PNAS上发文揭示北京霾形成机制

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北京大学环境科学与工程学院胡敏教授课题组与美国德州A&M大学张人一教授合作研究揭示北京霾形成的机制。研究显示,与直接排放至大气中一次颗粒物相比城区交通等排放的大量挥发性有机物(VOCs)、氮氧化物(NOx)和周边工业生产排放的大量二氧化硫(SO2)经化学转化生成的二次颗粒物对北京霾的贡献更大,有针对性的控制上述三类气态污染物是治理北京霾的关键。

该成果基于北京大学环境模拟与污染控制国家重点实验室在校园内长期运行“城市大气环境定位观测站”观测研究,由大气化学研究团队胡敏教授、邵敏教授、曾立民教授、美国德州A&M大学张人一教授和联合博士后郭松等人合作完成。同时获得国家自然科学基金和科技部973项目资金支持。成果于11月24日发表在美国著名科学期刊《美国科学院院报》(PNAS)上。

霾主要是由于空气中高浓度的细颗粒物(PM2.5)对太阳光的消光作用导致的能见度下降的现象。该项研究分析了北京初秋典型霾污染过程,霾发生时表现出以高臭氧和高PM2.5为特征的大气复合污染特征。北京的霾从形成到结束一般以4至7天为周期,而且从蓝天白云的清洁天到严重的霾天只需要几天时间。

每个周期都包括两个重要的化学转化过程:在清洁天,主要是气态污染物生成纳米颗粒物的过程,也称为颗粒物的核化过程,这个过程中产生了大量的纳米级粒子;在随后几天,是颗粒物持续快速的增长过程,使得在清洁阶段“种植”的种子得以长大到亚微米大小,这样大小的颗粒物对太阳光的消光作用明显,因此导致能见度的降低从而形成霾。

北京PM2.5质量浓度的增长非常迅速,在清洁天每立方米大气中的颗粒物总重量不足50微克,但在2至4天后的污染阶段会增至数百微克。

清洁天与PM2.5质量浓度迅速升高,导致能见度下降,形成霾对比

研究从机理上解释了北京的霾比世界上其它地区形成更迅速且更严重的原因。北京大气颗粒物化学组成与世界上其它地区非常相似,都主要是硫酸盐、硝酸盐、铵盐和二次有机物等二次颗粒物,表现出明显的二次形成特征,并无特殊之处。

但是,在我国大气复合污染条件下,强氧化性和高浓度的气态污染物使得颗粒物具有更强的核化能力和持续快速增长的能力。成核过程在世界上许多地区也会发生,但北京成核的潜力远高于其它地区,只要是清洁天都会发生;更为独特的是颗粒物的持续快速增长过程,同时具有这两个方面就使得北京的霾更加严重。

相比之下,国外发达国家城市中气态污染物浓度较低,大气氧化性也没有北京强,因此很难同时出现颗粒物有效的核化及持续快速增长。