24小时监测,捕捉大气污染物形成瞬间
2019年07月22日 11:01   来源:解放日报  

  凌晨时分,上海这座城市正在酣睡中。复旦大学第四教学楼楼顶一间天台小屋,在浓重的夜色里亮着微光,这是一个24小时空气监测站。由复旦大学环境科学与工程系教授王琳参与建设的上海市大气颗粒物污染防治重点实验室成立于2014年,当时大气污染在国内备受关注,PM2.5等逐渐进入人们的视线。

  空气监测是一项持久而细致的研究,为了捕捉到24小时内大气中气体和颗粒物的成分及变化,找出空气中污染物的形成机制,监测站日夜运作。

  特殊实验室24小时监测大气

  凌晨1时许,复旦第四教学楼楼顶,白色灯光透过天台小屋的三个气窗透射出来。

  大气监测站必须建在露天,天台是最好的选择之一。十几平方米的小屋内塞满仪器,一根根采样管透过气窗伸到户外,实时采集大气样本,实验室成员在电脑上实时观测数据变化。

  这是个特殊的实验室,不仅要收集大气中的气态成分,还要监测空气中的气体分子向颗粒物转换的过程,即颗粒物的二次生成途径。“大气中的颗粒物有很大一部分是由气体分子在随机碰撞中通过氢键形成新分子簇,实验室观测的目标就是要弄清哪些气体参与了这个过程,形成了哪些分子簇。”

  一个气体分子的尺寸通常是零点几个纳米,在静止状态下观测到已非常困难,要观测其化学转化过程更是难上加难。“这些气体分子在空气中随机碰撞,分子簇随时在蒸发,又随时在生成,我们必须实时在线,定量观测这些纳米级别分子簇的动态变化。一个新颗粒的生成,可能就在一瞬间。”在数谱图上,当粒子浓度线从蓝色变成红色,就表示粒子的浓度正在增加。“这就是新粒子从无到有的过程。”跟随实验人员实时见证这一过程,记者内心有些激动。

  “这时我们就要及时观看质谱仪,找出与新粒子出现的时间序列比较吻合的质谱信号。”只见实验人员立刻转到另外一个仪器前。质谱仪上,有上千个信号,每个信号都对应一个不同的化学组分,观察这些细微的信号变化,就能了解空气中分子簇的种类和浓度。

  为了保证观测的连续性,实验室不分昼夜,也没有节假日。“一旦开始,就要连续不停做下去,除了观测,还要实时维护,所有仪器要始终保持在最佳状态。”王琳说,我国的大气颗粒物污染最严重时期在冬天,因此冬天是最佳观测期。“天越冷,实验室工作强度越大。最重要的数据都是在最艰苦的时候采集到的。”

  无害气体会碰撞出新颗粒物

  为什么要观测颗粒物二次形成过程?王琳说,我国的大气污染中,以颗粒物和臭氧污染最为严重。大气颗粒物的来源有两种,一种是直排的一次颗粒物,主要是工厂烧煤、汽车尾气、发电厂等化石燃料燃烧不充分产生的。“人们一直把大部分注意力放在一次颗粒物上,却忽视了另外一个重要来源。”

  还有就是二次颗粒物,即空气中的气体经过特定物理化学过程后变成颗粒物。二次颗粒物也有两种产生途径,一是排放出的挥发性气体在大气中经过化学反应后,冷凝沉降到已有颗粒物的表面,造成颗粒物质量增加。比如气态的氮氧化物挥发性很强,但在空气中一反应就变成硝酸,容易冷凝沉降到已有颗粒物表面。另一种形成途径就是大气新粒子的生成。“大气中有一些看似无害的气体分子,通过随机碰撞,形成分子簇,从一个气态分子,变成两个、三个、四个……当尺寸达到3到4纳米时,就变成颗粒物。”研究表明,在我国城市地区,50%的颗粒物数浓度来自大气新粒子形成。

  去年7月,王琳团队在《科学》杂志上发表论文,指出在上海城市大气中,气体硫酸分子、二甲胺分子和水分子三者是形成大气新粒子的主要来源。“水分子无处不在,气体硫酸通过二氧化硫在空气中氧化形成,这已基本可以确定,但二甲胺到底是怎么来的,还存在疑惑。”王琳团队对其来源进行了很多猜想,这将是未来破解上海城市空气污染的关键点之一。要对空气污染进行防治,首先就要知道其来源。实验室表面上是做观测,更重要的是看成因,通过与模拟实验对比,最终得到污染物的形成机制。

  关键信号出现让数据有意义

  七年前,王琳从美国回来启动这一课题时,国内对大气新粒子的科学认识才刚刚起步。他回忆起实验室成立时的辛酸,“当时四教的天台门口有三级台阶,我们在台阶上安装了一个简易工作台,就坐在台阶上工作”。

  实验团队共7人,由王琳和他的研究生组成。经常是几个人轮流值班盯着,保证观测持续不间断。2014年寒假期间,实验室缺人手,仪器出了问题没有及时处理,导致整个观测期中断重来。此后,实验室安装了报警器,还配备一块巨大的蓄电池,就算突然断电,仪器还能支撑运作1个小时。

  姚磊是环境科学与工程系的博士生,2016年春节,他一个人留守校园,对着天台上的各种仪器过了个春节。在质谱仪中,能看到成千上万个分子,却不知道新粒子何时会形成,也不知道哪个数据的出现会起到决定性作用。“做这件事很难,失败多,成功少。”29岁开始读博的他跟随项目组一路走来,感觉如果做不成这件事,这些年的心血就都付之东流了。

  这是团队成员的共同感受。2016年2月的一个深夜,团队在分析质谱仪的以往数据时看到一个微小的硫酸二聚体的信号,这个信号绝对浓度很小,但已超过目前国际上已有文献中的最大值。“这让人马上联想到二甲胺,于是我们赶紧寻找同时含有硫酸和二甲胺分子的信号,果然找到三四个。能在质谱仪中找到三四个硫酸—二甲胺分子团簇信号已是非常强有力的暗示,有力地证明了大气颗粒物的硫酸、二甲胺和水分子三元形成机制。”几个人兴奋得喊出了声。

  “目前,这个三元机制的发现已代表该领域国际最前沿水平,但城市中二甲胺从何而来还有待进一步研究。”王琳说,“最终目标是找到污染物的形成机制,为大气污染防治寻得方法,虽然这条路还很长,但我们已经找到了方向。”(解放日报记者 黄尖尖)

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编辑:王丹沁  

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