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关于PM2.5的十个问题
作者:北京大学环境科学与工程学院本科生 姜一晨 胡松禾 范汗青  来源:  时间:2013/1/25 15:39:06 浏览:8749次

引言
    2013年一月中旬灰霾笼罩着华北地区,多地出现PM2.5浓度小时均值超过800微克每立方米、空气质量为六级的严重污染。一时间空气污染再度成为人们热议的话题,“爆表”成了微博上最热的词语,PM2.5由一个科学研究的术语再次走向台前成为公众视线的焦点。面对频频发生的“PM2.5事件”,除关注之外,很多担心和疑问也随之而来,什么是PM2.5,为什么它可以带来灰霾,它从何而来,它对于我们的健康有何影响,面对PM2.5我们又可以采取哪些防护措施和治理对策。本文选择了日前常为人提及的十个问题做出解答。
1.什么是PM2.5?
    在连续的灰霾天气中,PM2.5, 一个英文与数字的组合而成的学术术语成为人们谈论的焦点。了解PM2.5事件,我们首先要了解大气颗粒物以及什么是PM2.5?
    PM2.5中的PM是大气颗粒物的英文“Particulate Matter”的缩写,指分散在大气中的各种固体和液体微粒,它并不是某一种化学物质,而是复杂化学物质形成的混合物。这些固体或液体颗粒往往可以在空气中较长时间停留,形成相对稳定的悬浮体系,称为大气气溶胶。大气中颗粒物的形状极其不规则,难以采取几何直径来描述其大小,但可以根据颗粒的质量和惯性,用空气动力学的方式将不同粒径的颗粒物分开,然后计算出颗粒物的空气动力学直径来描述其大小。
    空气动力学直径在10-100微米之间的粒子在空气中停留较短的时间,然后逐渐沉降到地面,故被称为降尘;而直径在10微米以下的颗粒不仅能在大气中悬浮较长的时间,还能进入人体呼吸道,这部分颗粒称为飘尘或可吸入颗粒物;近来最受关注的PM 2.5是空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物,我们常把他们叫做细颗粒物(也称细粒子)。
    由于粒径细小,PM2.5可以更加深入地进入呼吸系统,沉积在呼吸系统的不同部位,进入肺泡,而粒径小于0.1微米的超细颗粒甚至能透过肺泡膜进入血液,产生更加严重的危害。PM2.5对于可见光有更强的散射作用,往往因此成为大气能见度降低的罪魁祸首。而由于拥有很大的比表面积1,PM2.5善于吸附空气中的其他化学物质,包括很多影响人体健康的化合物,另外也为大气中的化学反应提供了活性界面,成为许多污染物转化的“反应器”,有的产物甚至毒性更强。
    PM2.5的化学组成复杂,包括硫酸盐、硝酸盐、有机物、铵盐、矿质组分、黒碳和金属组分等。不同来源的PM2.5,其组分相差也很大。可见PM2.5小颗粒里有大问题,难怪它不得不“火”。
    注:[1] 表面积与质量之比

2.什么是灰霾,雾和霾有什么关系?
    在中国气象局《地面气象观测规范》中,霾天气被定义为“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10千米的空气普遍有混浊现象,使远处光亮物微带黄、红色,使黑暗物微带蓝色”。这里能见度是反映大气透明度的指标,用具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离表示。灰霾对自然能见度产生了影响,通过视觉直观反映了空气质量的好坏。此外,我们还可以通过大气成分的物理、物理化学、化学性质对灰霾等级进行定量表征。
    一般来讲,雾和霾的区别主要在于水分含量的大小:能见度小于10公里,相对湿度小于80%,判识为霾,;相对湿度大于95%,判识为雾或轻雾;相对湿度为80-95%,按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识。另外,霾和雾还有一些肉眼看得见的“不一样”:雾的厚度只有几十米至200米,霾则有1千米~3千米;雾的颜色是乳白色、青白色,霾则是黄色、橙灰色;雾的边界很清晰,过了“雾区”可能就是晴空万里,但是霾则与周围环境边界不明显。
    但事实上雾霾二者关系密切,因为本来雾主要是由水滴组成的,而霾主要是由干粒子组成的。不过经常出现的情况是:雾和霾纠缠在一起。在稳定的天气条件下,随着排放的污染物浓度越来越大,霾就会越来越重。由于霾是干的气溶胶粒子,如果水汽增多,就会以霾为凝结核从而凝结变成雾滴,霾就会由一个逐渐的积累过程转化成雾;雾形成了以后,经太阳一晒,即使水滴蒸发了,凝结核还留在空气里,所以雾又会转化成了霾,有时这一转换过程很快。
3.PM2.5和灰霾之间有什么关系,对能见度有什么影响?
    PM2.5与大气灰霾之间有密不可分的联系,大气颗粒物的消光作用是导致能见度下降的灰霾天气的主要原因。
    消光作用是光线受地球大气的吸收与散射而造成的强度减弱的效应。消光作用分为吸收和散射两部分:吸收就是指光在空气介质中传播时,空气中的分子与电磁波发生相互作用,使一部分能量转化为分子或原子内部的能量;散射是电磁波通过不均匀媒质时,部分将偏离原来方向而分散传播。北京市的研究表明,气体组分的消光作用仅占7%,而大气颗粒物的消光作用占93%,其中光的吸收作用占22%,光的散射作用占78%。
    大气颗粒物的消光作用与颗粒物的浓度、粒径还有成分有关。

 

                图 大气能见度与PM2.5质量浓度之间关系的示意图(邵敏,2012)2 
   注: [2] 邵敏.灰霾与PM2.5.世界环境[J].2012(1).   
    颗粒物的浓度一般用质量浓度表示,即一定体积的大气中含有多少微克的颗粒物。研究表明,大气能见度与PM2.5的浓度之间具有明显的反相关关系,也就是PM2.5浓度越高,大气的能见度越差。但是值得注意的是,两者并不是简单的线性关系,而是呈下图的一个曲线关系。当我们从高颗粒物浓度(如图,80微克每立方米)开始降低50%达到40微克每立方米,能见度改善的效果可能并不明显,而只有继续坚持PM2.5的治理,直到其浓度低于40微克每立方米之后,能见度改善的效果才比较明显。所以,从PM2.5污染控制到能见度明显好转之间的路可谓任重而道远。

    大气颗粒物的消光作用也与其粒径有直接的关系。当颗粒物粒子的大小与光的波长相近的时候,发生米散射。PM2.5中粒径1.0微米以下的颗粒物,与太阳辐射中可见光的波长相近(约为0.4~0.8微米),易于发生米散射,对太阳光的消光作用更强,珠江三角洲的研究显示,90%的消光作用来自于这些1.0微米以下的超细颗粒物。
    对于化学组成复杂的PM2.5,不同组分的消光作用是不同的。因此,在认识到消光作用与质量浓度的关系的基础上,还要进一步探究不同组分PM2.5对于大气能见度的影响,才能更加全面地认识二者之间的关系。
4.PM2.5和空气污染指数(API)或空气质量指数(AQI)之间有什么关系?
    描述空气中PM2.5的浓度,我们会用到质量浓度,即一定体积的大气中含有多少微克的颗粒物。但单纯的浓度高低,难以直观反映空气质量的好坏。为了对空气质量进行评价和管理,需要将空气污染物的浓度与空气质量标准进行比较,以判断空气质量的优劣。这种比较的结果,作为某时某地的空气指数表示出来。
    现行空气指数有两种:一种是空气污染指数(API),一种是空气质量指数(AQI)
    目前我国大部分地区用空气污染指数(API)来评价空气质量,是依据传统的3项污染物,也就是二氧化硫,二氧化氮和PM10来计算的, API分为五级:
1、空气污染指数在0—50之间,级别为一级,对应空气质量的类别为优,表示颜色为绿色。
2、空气污染指数为51—100之间,级别为二级,对应空气质量类别为良,表示颜色为蓝色。
3、空气污染指数在101—200之间,级别为三级,对应空气质量类别为轻度污染,表示颜色为黄色。
4、空气污染指数在200—300之间,级别为四级,对应空气质量类别为中度污染,表示颜色为红色。
5、空气污染指数高达300以上,级别为五级,对应空气质量类别为重污染,表示颜色为黑色。
    但是,API计算中没有包括对生态系统和人群健康影响更为显著的2个污染物,即臭氧和PM2.5。因此,API指数的高低有时与公众实际对大气质量的感官感受存在差异。2012年环保部发布的《环境空气质量标准》(GB 3095—2012),明确将臭氧和PM2.5纳入到控制范围内,并且依据《环境空气质量标准》,制定《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012 )。新的空气质量指数AQI的计算方法与API相同,但将空气质量划分为六级,增加对臭氧、PM2.5的评价,增加了1小时污染物浓度的监测,对空气质量的反映更为合理。
    新标准将于2016年1月1日起在全国施行,而2013年1月1日,全国74个城市率先开始发布新标准计算的空气质量指数。其计算方法如下:
    每种大气污染物的空气质量指数50、100、150、200、300、400、500分别对应一个浓度。得到实测浓度后先判断其位于哪个级别区段,以PM2.5为例,假设今日实测浓度为70微克每立方米,位于35~75微克每立方米之间,PM2.5为35微克每立方米对应空气质量指数50,75微克每立方米对应指数为100,指数级别为二级。然后以实测浓度减去浓度低位值(70-35),除以级别浓度的差(75-35),再乘上对应级别指数之差(100-50),最后加上级别低位值对应的空气质量指数50,得到PM2.5浓度的分指数。
    ((70-35)μg∙m-3)/((75-35)μg∙m-3)×50+50=94
    这样我们就得到了PM2.5的空气质量分指数,最后的空气质量指数将以几种主要污染物中分指数最高的值作为某时某地的空气质量指数,向公众发布。如果PM2.5的分指数最高,发布的空气质量指数就是PM2.5的分指数。
不同国家和地区对于空气质量指数都有一套自己的标准,计算方法和标准值规定往往不同,所以单纯比较空气指数是没有意义的。如果我们要比较两个国家的PM2.5污染状况,还是要以质量浓度为准。
5.大气中的PM2.5如何形成?
    大气中的PM2.5一部分来自直接排放产生的“一次颗粒物”,另一部分来自化学转化生成的“二次颗粒物”。
    “一次颗粒物”分自然和人为两种来源。自然源,诸如风沙、野火、海浪沫、火山活动以及一些生物过程,会产生细颗粒物进入大气;人类活动,诸如化石燃料燃烧、木材燃烧、烹调、机动车尾气排放、道路扬尘及车辆轮胎磨损等,都会排放颗粒物。
    “二次颗粒物”是通过化学反应而生成,进而通过物理碰并等过程而变大。空气中机动车尾气排放挥发性有机物及氮氧化物、煤燃烧产生的二氧化硫等首先通过大气中的光化学、多相反应,生成含有硫酸根、硝酸根、二次有机物等物质的二次颗粒物;与此同时,空气中原先存在的细粒子或凝结核通过碰并、凝聚、吸湿增长等物理过程成长为更大的粒子。
不同时期、不同地区、不同源对大气PM2.5浓度的贡献是不同的,从近年来的研究看,城市地区机动车尾气贡献率在15~35%,煤燃烧在15~30%,建筑扬尘在5~15%。
6.近期出现的华北地区空气重污染是如何形成的?
    近期出现的华北地区空气重污染是由颗粒物主导的,其形成原因有冬季污染源排放增加、快速的大气化学反应和不利的气象条件等三方面。
    第一, 冬季污染源排放增加。华北地区冬季大气中颗粒物浓度通常比其他季节要高,这是由于冬季燃煤采暖会大量增加细颗粒物和二氧化硫、氮氧化物的排放。
    第二, 快速的大气化学反应。氧化性和气态污染物浓度高的大气以及高湿度、低风速的气象条件会产生加快大气中化学反应,进而生成更多的“二次颗粒物”,导致重污染。一个地区的人口密度越高、人类活动越密集,排放的氮氧化物浓度就越高,导致大气的大气氧化性就越强。而华北地区是我国人口密度和氮氧化物排放强度最高的地区之一。
    第三, 不利的气象条件。区域输送和静稳大气是两种主要的不利气象条件。区域输送是指气团把高污染区域的颗粒物带到了低污染区域,造成下风向污染;静稳大气指的是大气流动性差,污染物不易扩散的气象状态。其中一种表现形式是近地面逆温层。逆温层中温度随高度增加而升高(底部温度低,上部温度高),由于地面空气上升受到抑制,逆温层中基本没有大气的垂直对流,使得上层较新鲜的空气无法补充到近地面层,近地面层的污染物不能向上扩散,致使近地面浓度过高。
在真实的大气环境中,有时会出现其中一种或两种原因,也可能三种原因同时出现,共同影响,造成重污染。
此次污染过程,冬季采暖期产生的额外大量排放和北京等大城市一直以来较高的污染排放是污染形成的基础,极端不利的气象条件导致低风、高湿和逆温层是事件的诱因。
7.PM2.5对人的健康有什么影响?
    已经有大量流行病学证据表明,PM2.5有急性与慢性健康效应。急性健康效应体现在高PM2.5暴露增加患急性呼吸道疾病与心脑血管疾病的风险,慢性毒性体现在PM2.5可能诱发肺癌、COPD(慢性阻塞型肺炎)、心脑血管疾病等慢性疾病,也有研究表明对细颗粒物的暴露会影响人的免疫系统、神经系统等。
8.为什么PM2.5有毒性?
    PM2.5颗粒较小,可以通过上呼吸道沉降在呼吸系统不同部位,进入肺部诱发呼吸系统炎症。部分超细颗粒物可以气血屏障进入血液,通过血循环影响全身。其次,PM2.5来源复杂,包括多种一次来源和化学反应构成的二次来源,导致其化学组分繁多,其中有重金属、多环芳烃等多种对人体健康有毒性效应的物质。
9.PM2.5如何致毒?
    粒径为0.5-2um的颗粒物最易被吸入并在肺泡区沉着。有科学家在分析温哥华居民的肺脏解剖标本中发现,沉积在肺内的粒子96%为PM2.5,这说明肺脏对此粒径范围的颗粒物具有较高的选择滞留性。
    PM2.5滞留在肺泡区后,会引发肺泡巨噬细胞和上皮细胞的多种应激反应。首先,PM2.5颗粒会与细胞膜表面的信号受体作用,干扰细胞的信号转导过程,使细胞正常的生理代谢过程出现异常。其次,部分PM2.5颗粒会被肺泡巨噬细胞等免疫细胞识别为异物,从而引发吞噬过程和免疫反应,释放大量的炎症因子,进一步刺激上皮细胞和内皮细胞,使其分泌粘附因子和细胞因子,这些因子促使各种炎症细胞聚集,从而导致炎症和肺纤维化。
    不仅是颗粒物的粒径效应本身,目前大量科学研究表明,颗粒物中的化学组分,尤其铁、铜等过渡金属元素和以多环芳烃和醌类物质为代表的有机物质能够产生显著的毒理效应,过渡金属元素和有机物质的协同作用能使细胞产生过量的活性氧自由基,从而导致细胞的氧化应激损伤,以及功能性大分子物质,例如DNA、蛋白质被破坏。同时也有研究指出,有机物质能够刺激肺泡和呼吸道。
10.哪些人是PM2.5的敏感人群?个人要采取哪些防护措施?
    对PM2.5敏感的人群包括心脑血管与呼吸道疾病患者,老人、小孩、孕妇也是对PM2.5污染敏感的人群。
    空气污染程度达到“重度污染”的时候,民众需要采取相应的个体防护措施,避免不必要的影响和损害,包括:儿童、老年人和患有心脏病、肺病等易感人群应留在室内,停止户外运动;中小学生减少户外运动;一般人群减少户外运动和室外作业时间。当空气污染上升至“严重污染”时,中小学要停止户外体育课;一般人群应避免户外活动。至空气“极重污染”时,中小学生应停止户外活动,人们应停止所有露天体育比赛活动。使用空气净化器、医院或者实验室常用的一次性口罩对于减少PM2.5的健康影响有一定的帮助。
展望
    中国大气污染问题产生的原因非常复杂。由于工业和城市的快速发展,发达国家经历了上百年的大气污染问题,在我国经济高速发展的地区集中爆发,使得我国城市群区域呈现多种污染类型、多种污染物耦合的复合型大气污染特征。
    针对这样的情况,在宏观政策制定上,要有前瞻性、长期性和区域性的视野和考量。前瞻性指的是要把提高环境质量作为制定战略规划的重要因素之一,通过前期战略环境影响评价、发展清洁生产方式等手段,追求经济、社会与环境的共赢。长期性指的是,大气污染问题治理难度大,成功根治需要时间长。这是由于新型复型污染下,表观的各污染物浓度数字已经不能向往常那样直接指示污染源,而是掩藏着更为复杂的,全新的变化规律。单纯的限制工业排放和减少机动车数量不一定能达到预期的效果。需要花时间了解新的科学机理,找到切实有效地调控措施。区域性指的是由于大气具有流动性,往往污染源排放和污染造成危害的地域跨越了城市甚至省际的行政边界,所以要根据污染源排放分布和大气污染特征,划定重点区域,统一调配资源,对区域内重点城市,城市内重点行业进行管控。
    从政策落实的角度,第一,要制定日益严格的排放标准和空气污染标准推动企业转型升级。一方面,建立完善的市场机制以及相应的鼓励清洁生产的配套政策,使得不清洁生产的企业会被市场竞争所淘汰;另一方面,加大科学研究投入,专注于研究节能环保的新技术。比如在欧美发达国家广泛应用的新发明“复合式电袋除尘器”,使得工厂可以在不降低产量的基础上减少最终排放量。第二,要通过完善大气监测,加强监测网建设,增多监测物种数,用研究发现的大气科学机理指导污染源控制。最后,除工业排放、城市建设会带来大量污染物排放外,民众日常生活也会排放颗粒污染物,包括私家车出行以及煤燃烧取暖、烹调等。所以也应该号召全体公民为蓝天贡献力量,从规范个人行为做起,鼓励绿色出行、公交出行,使用节能环保的家用电器等。
    空气治理的进程是长期的。在此期间,难免会出现由于极端不利的天气诱发的重污染事件。我们要从两方面入手把污染带来的损失降到最小。首先是完善预警机制,加强预报特别是气象条件的预测和预报,比如在极端不利的气象条件将要出现时,出台临时政策,及时减少主要污染源的排放;其次是加强知识普及和宣传,指导居民做好相关防护措施。 

 
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