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众专家热议:新冠疫情让空气变好了吗?

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撰文 | 赵维杰
 
翻译 | Hills
 
2020年,新冠疫情在9个月内就夺走了超过100万人的生命。随着各地封城,交通出行减少,人们被迫居家办公并且保持社交距离,全球剧变。 这些控制措施还大大减少了各种空气污染物的排放,为研究人员提供了一次前所未有的大规模自然实验,去观察各种措施如何影响空气质量。在2020年9月22日举办的这次NSR论坛中,五位空气质量和气溶胶领域的专家聚集在一起,讨论了他们的观察和分析,以及公众对空气传播的理解和误解。
 
本文献给伦敦帝国理工学院的马丁·威廉姆斯教授(Prof. Martin Williams),他原计划参加此次论坛,但在论坛前一天不幸离世(不是因为新冠)。
 
 
1 为什么北京封城期间出现雾霾?
 
朱彤:自疫情爆发以来,许多国家实行了多重限制,极大地改变了我们的生活方式和空气污染物的排放方式。在过去的几个月中,空气污染发生了怎样的变化?您有哪些观测结果?
 
Brasseur:我们用多种方法来追踪空气质量的变化,包括卫星和地面观测站。2020年1月23日左右,中国最先开始封城,暂停大量社会活动。利用搭载在哨兵5号卫星(Sentinel-5 Precursor)上的 TROPOMI(对流层监测仪 )以及其他地面仪器,我们发现在封城开始后,中国的NO2浓度立即下降了40%–50% [1]。
 
后来,在欧洲和其他地区,我们也观察到了NOx的减少。但是由于各地封城政策不同,减少幅度因地区而异。在欧洲的某些国家/地区,我们观测到较大减幅,但是在欧洲其他地区以及美国等国家/地区,减少幅度较为有限。
 
有趣的是,在中国北部,即便大多数地方的NO2和PM(颗粒物)水平均有所下降,但也有一些例外。在包括北京在内的某些地区,我们观察到臭氧和PM在二月初达到了峰值。这些意外观测值出现的原因是什么?这些增加的PM是一次颗粒物(在地表排放)还是二次颗粒物(通过某些化学机制在大气中生成)?
 
朱彤:是的,2月初出现PM2.5峰值时,我们都非常意外。有人问,为什么在疫情封城期间我们的PM反而增加?这是否意味着我们此前为控制PM而采取的所有措施都是没有用的?
 
丁爱军:我们在《国家科学评论》(National Science Review ) [2]中发表的一篇论文就是想要解答这些问题。我们收集了来自中国50多个城市的PM2.5化学组分数据,发现许多城市的硫酸盐和二次颗粒物有显著升高。
 
基于这些观察,我们提出了一个概念模型。首先,在封城期间,NOx的减少比VOCs(挥发性有机化合物)的减少更为显著。这导致氮氧化物的滴定作用减弱,从而减少了臭氧的消减,因此大气中臭氧浓度升高。同时,日间的臭氧产生和氧化能力在小范围内增加,使日间的OH自由基和夜间的NO3自由基浓度增加。于是,大气的氧化能力增强(包括臭氧以及OH和NO3自由基的增加)将促进二次颗粒物的形成。当时,整个中国东部都出现了这种大气氧化能力的增强,而北京及周边地区刚好处于这些地区的下风带,由南方输送来的二次颗粒物加剧了2月出现的北方雾霾。
 
朱彤:在给出的模型中,NOx的减少要比VOCs的减少更显著。这其中的原因是什么?
 
丁爱军:这是我们使用自下而上的方法,考虑人类活动数据而做出的排放量估算结果。主要原因在于,交通运输的NOx排放量大幅减少,在中国东部的超大城市中,这一点尤为突出。但是在中国南部有另一个原因。中国南部气温较高、森林也更多,有高浓度的生物源VOCs排放。
 
Brasseur:NOx的排放量与交通运输有很大关联。如果我们看一看详细的排放地图,就会发现道路附近的NOx排放量很大。但是VOCs有多种不同的排放源,所以它的排放在地理上的分布较为分散。比如,VOCs的一个主要排放源是工业溶剂的蒸发,但是在封城期间,工业溶剂的使用量没有像交通量那样大幅度减少。VOCs的种类和来源很多,它们的排放量变化也各不相同。
 
曹军骥:我们在西安市做了很多高分辨率的排放源解析研究。我们发现,有三类排放显著下降,包括道路和建筑工地排放的灰尘,工业排放和本地排放 。但是在疫情期间,某些排放源也呈上升趋势。例如,住宅供暖的排放增加了,因为在中国的春节期间,呆在家里的人变多,有些人烧煤炭和生物质燃料来给房屋供暖。
 
Morawska:是的,而且很多地方并没有大幅暂停能源生产。这也可能是VOC排放保持稳定而没有明显变化的原因之一。
 
朱彤:谢谢大家的解释。我们可以看到,不同化学物质排放比例的变化也能够解释世界不同地方的PM和臭氧的不同变化趋势。
 
2 全球共此时
 
朱彤:我们谈了很多中国的情况,尤其是臭氧和PM复杂的变化趋势。在其他国家有没有观察到这种趋势?
 
Brasseur:我们在欧洲看到了与中国相似的臭氧变化模式。在中国北方,臭氧一直在增加,但在中国南部,尽管广州和香港周围地区的臭氧有所增加,但臭氧在总体上却在减少。在欧洲,我们也看到北部的臭氧增加,而南部的臭氧减少——即使各地的NOx都在减少。
 
一开始我们认为欧洲的情况与我们两个月前在中国所观察到的情况是类似的。我们认为北部的气候更接近于冬季,光化学反应不太活跃,而在南部则接近夏季,有更多的太阳辐射。我们解释说,滴定作用降低导致了北欧臭氧浓度的增加,而在南欧,疫情期间NOx浓度下降,光化学合成减慢,臭氧浓度降低。
 
但是实际上,我们后来发现,欧洲的这些反常现象在很大程度上与当时特定的气象情况有关。在三月和四月间,欧洲北部有大量的太阳辐射,但是在南部,特别是在西班牙,出现了大量的云层(伴随着雨水),如此一来光化学反应过程减缓,从而减慢了臭氧的形成。西班牙另一个研究小组也证实了这一点。
 
因此,重要的是,当我们进行分析时,要特别考虑到特定情况下的大气气象状态。
 
Morawska:我作为学术期刊的副主编以及审稿人,读了许多有关新冠疫情中空气状况的论文。全球范围内,人们普遍观察到NOx的减少。大多数论文记录了某些污染物的浓度变化,并试图将这些减少与交通管制联系起来。但是,几乎没有人对复杂的臭氧和PM情况做出合理的分析,这两者在很大程度上不是由交通直接排放的,而是受到气象及其他因素的影响。
 
我认为地域是极为关键的影响因素。关键是要了解哪些污染源在起作用,而哪些没有。例如,曹老师刚刚谈到了中国的住宅供暖,而在澳大利亚没有这种情况。南半球还是夏天,没有供暖。
 
封城也是一个主要区别。许多城市都宣称自己处于管制状态,但是如果你去看城市的主干道,你会看到虽然出行的人变少了,但是交通并没有完全停止。因此,我们应该了解哪些污染源在发生改变,这样才能真正了解情况。
 
朱彤:是的,不同地区出现的情况不同。正如已经提到的,特定的气象因素和其他因素也可能会导致不同地区的不同反应。
 
Brasseur:中国从很早就开始封城,那时候还是冬天。欧洲和美国在春季和夏季才开始封城。所以我们处于不同的化学系统中。如果由于某些原因,中国从4月或5月才开始封城,那么我们可能不会看到臭氧增加,反而可能会有所减少。
 
我们使用了全球地球系统模型来评估疫情期间大气对减排的反应。如果减少模型中工业和交通运输的排放,就能够模拟出从2020年1月至2020年3月在中国观察到的情景。这些模型还能推算出,北半球和南半球的大多数地区在这一季度后期(4月到6月),地表臭氧浓度会下降。我们还在分区域仔细研究。
 
我们应该特别注意气象情况,因为像在欧洲那样,在几周或几个月内可能会出现一些特殊或反常的情况。因此,我们需要根据世界不同地区的特定气象站进行局域分析。
 
3 得天独厚的自然实验
 
朱彤:我们在这次疫情中获得了很多数据,可以看作是一次大规模的自然实验。我们暂停了很多活动,并且看到了由此产生的变化。所以我的下一个问题是:这些新数据如何能够帮助优化当前模型?
 
Brasseur:计算机模拟主要有两种类型:正向模拟(forward modeling)和反向模拟(inverse modeling)。
 
这次疫情中,最大的未知因素是我们不确定排放量到底变化了多少。反向模拟可以帮助我们研究这个问题。我们可以将观测到的大气化学组分信息与详细的化学传输模型结合起来,利用逆向建模,反推出封城期内排放量减少了多少。通过这种自上而下的方法,我们可以估算出不同的排放源发生了怎样的变化,以及在不同的国家,排放量怎样受到疫情的不同影响。我很高兴听到中国已经进行了一些这类研究,我们也在开展类似的工作。
 
另一方面,我们也可以估算封城期间排放量的变化,并应用正向模拟,推演出臭氧、PM和其他化学物质的浓度变化,并比较模拟结果与实际测量结果的异同。这样我们就可以测试模型是否合理。如果我们要测试一个模型,就一定要地将其应用于非一般或者反常的情况。如果在这样极端的情况下,模型仍与实际相符,那么就可以相信模型的准确性。但是,如果我们的模型与实际情况不符——这也是最有趣的情况——那么我们就可以开始反思:我们漏掉了什么?模型中有什么没包含的机制?这就是科学进步的过程。现在我们正在见证的大型实验就是一个难得的机会,可以将我们的模型应用于一个从未出现过的、相对极端的情况,除非未来再有一次疫情,否则以后可能也不会再有这样的机会。
 
丁爱军:在模拟研究中,我们发现现有模型在模拟臭氧和硝酸盐的变化方面很成功,但是要再现中国的硫酸盐和SOA(二次有机气溶胶)的变化仍然非常困难。很多年来这一直是个难题,我认为可能有些没有考虑到的因素。例如,也许我们忽略了发电厂的主要排放物或硫酸盐的快速形成,也许我们还没有完全理解SOA的生成机制,或者有一些新发现的机制还没有被纳入模型中。要改进模型,我们还有很多工作要做。
 
朱彤:谢谢大家的讨论。疫情为我们提供了一个独特的天然机会来测试和改进模型。有些人可能想知道:我们现在是否能够利用正向模拟来预测空气质量的发展趋势?
 
Brasseur:我们可能无法预测未来几个月会发生什么,因为我们不知道人们的行为方式会怎样变化,不知道输入源会怎样变化。但是,我们可以在某些可能的情境下做出一些预测。例如,如果疫情再持续一年、两年甚至三年,我们可以预计出排放量的变化,并预测我们的环境系统和空气质量将会做出何种响应。
 
4 污染物传播?No!空气传播?Yes!
 
朱彤:有一些论文讨论了空气污染是否会促进病毒传播的问题。您对此有何看法?
 
Morawska:这是一个很有争议的话题。在疫情初期,有很多文章将空气质量与病毒的传播联系起来,声称不良的空气质量大大加剧了疫情。但是,这些研究中的大多数都只是在进行简单的关联,而没有仔细地探究原因。这些论文备受争议,其中一些已被撤回。
 
实际上,室外的空气污染物颗粒极不可能成为病毒传播载体,因为污染物颗粒通常比病毒载体小得多。但是我们确实发现在空气质量差的地区,人们更容易感染这一病毒。空气污染不会直接介导病毒传播,但是可以提高人们的病毒易感性——我想这是对这二者之间关系的合适概括。
 
曹军骥:我同意你的意见。通常,不良的空气质量会对人体健康产生负面影响,并促进病毒感染。高浓度的PM,SO2和NOx均对人体健康有害。但是臭氧可能是一个例外。我们与中国科学院武汉病毒研究所进行了联合研究,发现臭氧分子可以在一定条件下杀死空气中的病毒。因此,在讨论空气质量时,我们需要区分不同的指标。
 
也有研究表明,空气质量或空气状况(例如气温和湿度)会影响病毒在空气中的存活时间。这些因素的影响很复杂,一些研究得出的结果还很有争议。无论如何,我们应该考虑这些因素并进一步验证它们的影响。
 
Brasseur:Morawska说,空气微粒不太可能是病毒载体。这是否意味着,如果我在一个被感染者离开房间之后进入这个房间,不会有病毒悬浮在空中,我也不太可能被感染?
 
Morawska:不。您说的是气溶胶传播或空气传播,这已被证明是新冠病毒的主要传播方式。但在这种情况中,携带病毒的气溶胶颗粒是由患者的呼吸产生和释放的,而不是我所说的室外空气污染物颗粒。
 
朱彤:您的解释非常清楚。我对空气传播还有一个疑问。许多研究在医院中发现了携带病毒的气溶胶,但是我们是否有强有力的证据来说明这些气溶胶颗粒中含有足够多的有活性的病毒,足以传播疾病?
 
Morawska:这是一个 “先有鸡还是先有蛋” 的问题。医院通常通风良好,因此尽管有患者存在,在医院中测得的病毒浓度不一定很高。在其他一些研究中,研究人员进行了回顾性分析,测量了发生过疫情传播的地点的病毒浓度。但是,我们无法预测疫情的爆发,也无法测量在发生传播时的确切浓度。
 
但是,已经有许多研究证明这些气溶胶中存在活病毒。许多关于疫情的模拟和分析也有力地说明,空气传播是最合乎逻辑的解释。
 
朱彤:当微粒中的水蒸发,盐浓度升高时,病毒会被杀死吗?
 
Morawska:对此有很多讨论。实际上,这种蒸发过程发生的速度非常快——不到一秒。因此,如果蒸发能够杀死病毒,那么就几乎不可能发生空气传播。但是空气传播确实发生了,这就意味着病毒可以应对这种盐度的增加。
 
朱彤:在室外,空气传播的可能性如何?户外安全距离应该是多少?
 
Morawska:通常来说,室外的风险要低得多,除非人与人之间的距离很近。因为病毒会很快被稀释,被感染者传播出的病毒浓度将很快下降到传染性标准以下。此外,由于紫外线辐射和其他因素,病毒在户外的稳定性较差。
 
丁爱军:天气会影响室外感染的可能性吗?例如,雾或者风?
 
Morawska:感染的可能性取决于病毒浓度和暴露时间。因此,我认为可能会有很多影响因素,包括风,与感染者之间的距离以及在一起的时间。但如前面所讲,一般来说,户外感染的可能性较低。
 
5 佩戴口罩
 
朱彤:为防止空气传播,最有效的措施是戴口罩。但是对此也有很多不同的声音。您对此有何看法?
 
Morawska:口罩无法将风险降为0,但确实非常有效。我认为,应该教会大家正确佩戴口罩的方法。有些人只是把口罩戴在鼻子下面,而另一些人则一直戴着口罩,而这是不必要的。实际上,如果你在公园或街道上一直戴着口罩,这之后,当你进入购物中心或拥挤的公交车上时,你已经戴了很长时间的口罩,这是你就可能会厌倦,开始不正确地佩戴,这样就会很危险。
 
Brasseur:在德国,我们的做法跟您的建议完全相符。我们在街上通常不带戴口罩,但是在进入商店前或与他人接近之前我们会戴上口罩。
 
但是还存在接受度的问题。在中国,人们的接受程度很高,但是在许多其他国家,例如美国,许多人认为他们需要自由。这已经成为了一个政治问题。在德国,尽管人们普遍认同新冠疫情是严重的公共卫生事件,但仍有街头游行示威活动发生,这些人声称疫情是政府为限制其自由而编织的谎言。他们声称新冠只是一种大型流感,在办公室正常工作、与朋友们在酒吧共度夜晚才更为重要。对于理智的人和政府官员来说,要说服所有人相信新冠疫情是医学问题而不是政治问题,是很困难的事情。
 
(编者注:以上言论仅代表专家个人的看法和建议,请大家根据相关防疫要求谨慎正确地佩戴口罩)
 
6 疫情改变世界
 
朱彤:新冠疫情已经持续了七个多月,而且仍然没有停止的迹象。我们今天最后的问题是,疫情会如何改变科学研究、生活方式以及整个社会?
 
曹军骥:我认为疫情将会对未来几年内的空气质量产生积极的影响。在疫情期间,政府和公众都更加关注室内外的空气质量以及气溶胶及其对健康的影响。所以在将来,有关空气质量和气溶胶的研究将会得到更多的支持。我们应该借此机会,去解决将来可能造福于社会的重大科学问题。
 
Morawska:我们的确开始更加关心室内空气质量。我们正在努力改变思维方式,在设计建筑物或其他封闭的公共空间时,我们开始考虑如何减少呼吸系统疾病在建筑物中的传播。
 
对于整个社会,无论如何,这次疫情都将带来变革。这是来自历史的经验。在历史上的每次重大疫情之后,世界都会发生巨大的改变。毫无疑问,在新冠之后,方方面面都会变化。一个明显的改变是,我们将更多地在家工作而不是在办公室工作。我们将不会再回到原有的体系。但是,目前还难以预测其他变化。也许人们长途旅行的频率会减少,也许我们将了解到节约能耗的好处,也许我们将尝试建设交通较少的城市。我知道巴黎正在建立无交通的试点区域,这次疫情可能会推动这类尝试。
 
Brasseur:我同意疫情将带来变革,而且许多变化在一定程度上是不可逆的。但我还想说,其中一些变化不是由疫情造成的,而是被疫情所加速的。例如,很多人在疫情之前就开始在家工作,疫情仅仅提供了加速这一变化的机会。
 
另一方面,人们的记忆并不长久,我认为人们会在很大程度上回到 “正常生活”。在德国,几个月来我们一直处于疫情低发状态,人们已经重新开始去地中海小岛上度假。享受社交可能是人类的天性,对于社会科学家们来说,研究世界不同地区的不同反应方式可能会是很有趣的课题。
 
最后,我想说的是,很多年前我们已经知道将来会发生病毒大流行,但是我们几乎没有采取任何措施来预防,或者至少做好准备。我们只是在等待,什么也没做。气候问题和我们星球面临的其他巨大挑战也是如此。我们知道气候变化将成为现实,并将在未来对社会产生更大的影响。我们应该从这次疫情中吸取经验,要将目光放得更加长远,并在当下就采取行动。
 
朱彤:中国也在逐渐恢复正常。在街头等许多场合,很多人开始不戴口罩。这可能是一个好兆头,表明疫情已经得到了控制,但也可能带来风险。
 
将来,当下正在发生的一些变化将继续使我们受益,例如居家办公和在线会议,或者线上-线下结合的会议,对我们来说,这些改变都使工作和生活更加方便。疫情也促进了这类技术的发展。
 
很感谢大家参加今天的讨论。这次疫情提供了一次独特的大型自然实验,并为加强我们在空气质量控制和空气传播方面的研究提供了机会。希望我们接下来的研究能够使我们的社会受益,并为未来的挑战做好准备。图片
 
本文英文原文于2020年11月24日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR ),原标题为 “Changes of air quality during the pandemic and airborne transmission issues”。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获NSR授权刊发该文中文版。
 
参考文献
 
1.Shi XQBrasseur GP. Geophys Res Lett 2020; 47: e2020GL088070.
 
2.Huang XDing AJGao J et al. Natl Sci Rev 2020, doi:10.1093/nsr/nwaa137.



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