茫茫人海，兩個(gè)人相遇是緣分;從133倍于地球人口數(shù)的氣體分子中,找出最關(guān)鍵的2個(gè)分子——一個(gè)氣體硫酸分子和一個(gè)二甲胺分子,使之碰到一起，那就可能發(fā)生大氣新粒子形成事件了。

歷經(jīng)7年努力，復(fù)旦大學(xué)科研人員首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了我國典型城市大氣中的硫酸-二甲胺-水三元成核現(xiàn)象，揭示了上海“大氣新粒子”形成的化學(xué)機(jī)制，為我國大氣顆粒物污染防治政策的制定提供了新的科學(xué)證據(jù)。日前，這一成果發(fā)表于《科學(xué)》。

一個(gè)未解之謎

城市大氣污染物中的納米微細(xì)粒子，是怎樣從無數(shù)空氣分子中的關(guān)鍵分子形成的?污染城市大氣新粒子形成事件的化學(xué)與物理機(jī)制，一直是個(gè)未解之謎。

這個(gè)形成過程中，從小于1納米的氣態(tài)前體物分子到1-2納米左右的分子團(tuán)簇再到幾個(gè)納米的納米微細(xì)粒子，質(zhì)量和粒徑都十分微小，可謂“看不見，摸不著”，這給科研人員的測量提出了極大的挑戰(zhàn)。

針對這一難題，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系王琳團(tuán)隊(duì)，2014年在上海開展了兩年的連續(xù)大氣觀測。他們和芬蘭赫爾辛基大學(xué)的科學(xué)家一起，用了一年半的時(shí)間，完成了對收集來的海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理和深入分析。他們測得了上海城市大氣中1—700納米區(qū)間大氣顆粒物的粒徑分布濃度，獲得了大氣新粒子的形成速率和成長速率等，也獲得了大氣新粒子形成事件期間大氣中性和帶電分子團(tuán)簇的化學(xué)組分。

通過研究，他們發(fā)現(xiàn)，大氣新粒子的形成過程中，一個(gè)氣體硫酸分子和一個(gè)二甲胺分子隨機(jī)碰撞，通過氫鍵形成穩(wěn)定的分子簇，分子簇通過與其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺團(tuán)簇的碰撞繼續(xù)生長，達(dá)到一定尺寸后，其他物種(例如極低揮發(fā)性有機(jī)化合物)開始加入這個(gè)過程，并最終形成大氣新粒子。

二次形成過程

一般認(rèn)為，工廠和汽車的尾氣排放是造成PM2.5顆粒物污染的主要原因之一，這是由人類活動(dòng)或者自然活動(dòng)所帶來的大氣顆粒物直接排放，王琳這樣的科研人員將其稱之為“一次排放”。除了“一次排放”，空氣中還時(shí)常發(fā)生著顆粒物的“二次形成”。

“二次形成”過程更為復(fù)雜。王琳告訴科技日報(bào)記者，該過程大致分為兩種：第一種過程指空氣中的揮發(fā)性氣體可通過化學(xué)反應(yīng)生成飽和蒸氣壓較低的反應(yīng)產(chǎn)物，這類物質(zhì)會凝降在已有顆粒物的表面上，增加顆粒物的質(zhì)量濃度;而另一種過程則會大幅增加顆粒物的數(shù)量濃度，大氣中部分氣體分子隨機(jī)碰撞，通過分子間作用力或化學(xué)鍵而生成分子團(tuán)簇，分子團(tuán)簇的進(jìn)一步生長則形成了納米微細(xì)粒子，也就是大氣新粒子，期間發(fā)生從氣體到凝聚態(tài)的相變;這些納米微細(xì)粒子的繼續(xù)生長，則可以造成大氣PM2.5污染。

“‘二次形成’讓大氣中的顆粒物變得更‘重’、更‘多’，我們課題組目前主要關(guān)注變‘多’的過程，研究城市空氣中的大氣新粒子是怎么形成的。”王琳說。

王琳認(rèn)為，在中國典型的城市環(huán)境中，除了加強(qiáng)對污染物一次排放的監(jiān)測和管理，對“二次形成”也應(yīng)予以同樣程度的重視。

因?yàn)榇隧?xiàng)研究中提出的化學(xué)機(jī)制，參與大氣新粒子形成過程中的關(guān)鍵化學(xué)物種將得到更有針對性的控制，這樣，便可以有望有效降低空氣中顆粒物的數(shù)量濃度，減輕我國的大氣顆粒物污染。甚至，從更大的維度來看，將這一機(jī)制運(yùn)用于全球氣候模式中，能夠更好地模擬全球大氣顆粒物乃至云凝結(jié)核的數(shù)目，更好地理解整個(gè)地球的氣候變化趨勢。

談及項(xiàng)目之后的發(fā)展，王琳說：“我們的研究還有很多值得進(jìn)一步探索的地方，這個(gè)項(xiàng)目之后還會繼續(xù)。”他希望，該研究成果能進(jìn)一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的主控因素，理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關(guān)系。