华北雾霾或将伴随光化学烟雾

时间:2022-04-21 01:54:53

华北雾霾或将伴随光化学烟雾

从去年冬天到今年春天,北京城几乎完全笼罩在沉重的雾霾中,PM2.5数据也一直居高不下。最近,国内科研机构对城市雾霾天气进行了研究,一类新的污染物被检出吸引了人们的注意。这种污染物是“含氮有机物”,与“光化学烟雾”密切相关。

什么是光化学烟雾?

光化学烟雾最早是在洛杉矶被发现的。午后的大气中出现淡蓝色的烟雾,并且这些烟雾能够使橡胶开裂、使树叶变色,甚至刺激人的眼睛。这些烟雾常出现在光照强烈的午后,而且往往是出现在比较干燥的日子里。经科学家研究发现,这些烟雾主要来自于氮氧化物(NOx)和挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)在紫外光照射下发生的化学反应。因为光化学反应是促成这类烟雾的主因,所以这些烟雾被称为光化学烟雾。

光化学烟雾是怎样产生的?

光化学烟雾的形成往往需要比较复杂的条件。首先,产生光化学烟雾的大气必须稳定,整个大气没有强烈的对流,也没有风的扰动;其次,大气中必须具有相对高浓度的氮氧化物;第三,必须有强烈的光照。NO2在紫外光的照射下光解成NO和原子氧,原子氧与氧分子结合生成臭氧(O3);O3再光解成活性的氧原子和氧气,活性氧原子与大气中的VOCs发生一系列反应,生成包括过氧乙酰基硝酸酯(peroxyacetyl nitrate,PAN)在内的各种产物。由于O3和PAN是光化学反应里最关键的产物,所以通常将这两种物质作为光化学烟雾的指示物质。

PAN是什么?

准确地说,过氧酰基硝酸酯(peroxyacyl nitrates,PANs)是一系列化合物。其中PAN是最为常见的一种,因此也被认为是PANs的代表物。PAN没有天然源,只有人为污染才会产生PAN。

PAN对人体健康的影响主要表现在对眼睛的刺激作用。但是在37℃的环境下,PAN的寿命只有30分钟,因此对于健康的影响大多是暂时的。但是当温度降低到-13℃时,PAN的寿命则可延长到1个月的时间。由此可见,在温度较低的状态下光化学烟雾持续时间更长。

一般认为,PAN在大气中可以继续分解为NO2和过氧酰基。因而虽然NO2在光化学烟雾生成的过程中参与反应,但它并不会随着反应的进行而被消除。换一个角度,我们可以把NO2看作是整个光化学反应体系中的催化剂,因此控制氮氧化物排放对于控制光化学烟雾的发生与发展意义重大。

光化学烟雾和雾霾有什么关系?

从物质形态看,光化学烟雾与雾霾似乎没有什么关系。光化学烟雾主要为气态污染物,而雾霾则是大气颗粒物。但是,光化学烟雾最终生成大量的臭氧,增加了大气的氧化性,这导致大气中的SO2、NO2、VOCs被氧化并逐渐凝结成颗粒物,从而增加了PM2.5的浓度。也就是说,光化学烟雾可能成为雾霾的来源之一。

目前华北地区的污染物,同时包括以SO2为主的煤烟型烟雾污染、沙尘暴、黑炭气溶胶、其他燃烧产物、挥发性有机物,以及可能出现的光化学烟雾,这种各种污染物同时出现的复杂污染形式是世所罕见的――因为类似的污染是在西方几百年发展历史上陆续出现的,基本上是治理好了一种才出现另一种。复杂的污染物在时空上重叠,导致污染物在生成、输送、转化过程中的复杂化学耦合作用,产生大量二次污染物(即大气污染物之间发生反应生成新的污染物),致使污染的状况与以往单一类型的污染相比有了很大的变化,形成典型的大气复合型污染。而且,就目前的研究结果来看,我国大气复合型污染的主要产物就是PM2.5和O3,即雾霾和光化学烟雾。可见,光化学烟雾和雾霾在我国大气污染中同样重要。

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