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复旦学者揭示大气污染新粒子形成机制

撰文 | 巩持平

责编 | 叶水送

近些年来,国内雾霾事件频繁发生。理解雾霾形成的机制,是防控雾霾的重要一步。

最近,复旦大学环境科学与工程系教授王琳和他的科研团队在《科学》(Science)杂志报告并证实大气污染纳米微细粒子(硫酸-二甲胺-水)形成的新机制,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。

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”。相较于“一次排放”,“二次形成”过程较为复杂。“‘二次形成’让大气中的颗粒物变得更‘重’、更‘多’。”王琳表示。

“更多”意味着会有新的粒子形成,而污染城市大气中的新粒子形成事件的化学与物理机制一直不甚清楚。

这主要与“二次形成”的新粒子发现困难有关。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(10-12)以下。除此以外,从测量到识别再到形成机制的推导,每一个步骤的推进都是一次“拓荒”。

从2014年3月到2016年2月,王琳团队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。

2015年至2016年冬季,他们还使用了包括飞行时间质谱在内的更多仪器设备,进行了加强观测,积累了数百G的数据。此后,该团队和来自芬兰赫尔辛基大学的合作者用了一年半的时间,对收集来的海量数据进行系统的整理和深入的分析。

最终,王琳团队测得了上海城市大气中1-700 纳米区间大气颗粒物的粒径分布浓度,获得了大气新粒子的形成速率和成长速率;以及测量了大气新粒子形成事件期间大气中性和带电分子团簇的化学组分。

大气新粒子到底是如何形成的?研究者发现,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,其他物质开始加入这个过程,并最终形成大气新粒子。硫酸-二甲胺-水三元成核机制可以用于解释我国典型城市大气中的大气新粒子形成事件。

王琳希望,在现有的硫酸-二甲胺-水三元成核化学机制框架下,能进一步明确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,从而助力国家推出更有针对性的污染防控措施。

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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.

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