霧霾籠罩下的煙霧箱

霧霾籠罩下的煙霧箱

2014-03-20 13:28 作者：曹玲來源：三聯生活周刊

據悉，中科院要建造一個全世界最大的「煙霧箱」，對霧霾重拳出擊。這個神秘的箱子，再加上實地觀測，能對改善大氣汙染做出什麼貢獻？

1951年時美國使用的煙霧箱。該箱主要用於研究陽光下不同氣體的變化

5億元的煙霧箱

清華大學西門附近一間不起眼的實驗室中有個類似大冷櫃的裝置，就是前陣子人們議論紛紛的「煙霧箱」。這是一個小型的煙霧箱，只有3立方米，而大型煙霧箱則高達數百立方米。

3月初，媒體傳來「中國計劃在北京懷柔建設世界最大的『煙霧箱』，初步預算5億元」的消息。「煙霧箱」計劃聽起來是個快速跟蹤濃重霧霾的好方法，很快引起了大家關注。該項目的籌備負責人、中科院生態環境研究中心研究員賀泓則表示，中科院的確已就此項目計劃制訂了方案並上報發改委，但截至目前尚未收到項目得到批准的消息。

3月9日，在全國人大新聞中心舉行的環保主題記者會上，環保部副部長吳曉青回應了此問題，表示環保部支持有關部門建設大型的「煙霧箱」模擬實驗室。但賀泓已然被各種傳言弄得焦頭爛額，不願再多談這個問題。「一切以中科院的說法為準。」他說。

煙霧箱究竟是一個什麼樣的東西，能對改善大氣汙染做哪些貢獻？楚必武以前在清華大學環境學院李俊華教授的實驗室讀博士，從2008年起開始用煙霧箱做研究，畢業後在賀泓的研究小組工作，他對清華大學這個小型的煙霧箱了如指掌。

「這個冷櫃一樣的外殼就是一個空調室，能夠保持溫度恆定。」楚必武給本刊記者打開煙霧箱的櫃門，裡面是一個很大的立方形透明塑膠袋，塑膠袋由特氟龍薄膜製成，容積為3立方米，上下左右包圍著40盞燈。「特氟龍薄膜幾乎不參與化學反應，而且對太陽光中紫外線部分幾乎無阻擋作用，使得煙霧箱中的氣體能接受到真實太陽光紫外線的照射而發生光化學反應。」楚必武說。

特氟龍塑膠袋裡，根據實驗要求加入不同比例的各種氣體，比如汽車、工廠等汙染源排入大氣的碳氫化合物和氮氧化合物。調整好溫度、溼度等條件後，打開紫外燈，模擬白天這些汙染物在陽光照射下的反應。8小時的反應過程中，塑膠袋中的氣體會被不斷抽取出來，各種儀器實時分析裡面的各種化學組分有沒有發生變化。

太陽光下，汙染物會發生什麼變化是一個非常複雜的過程。在霧霾愈演愈重的中國，二次顆粒物起到非常重要的作用。賀泓在3月1日中國科學院學部主辦的「大氣灰霾追因與控制」科學與技術前沿論壇上介紹：「構成霧霾的物質包括汙染源排放的一次顆粒物和氣態汙染物，這二者又會在大氣物理化學的過程中變成二次顆粒物。一次顆粒物和二次顆粒物混合的細粒子持續增長，導致消光現象致霾。」

那麼二次顆粒物從哪裡來？「大氣中揮發性有機汙染物可以在氧化過程中被氧化成二次有機顆粒物，還有一些無機的成分，比如氮氧化物變成硝酸鹽、二氧化硫變成硫酸鹽、氨變成銨鹽等等。」賀泓說。這些二次生成的細顆粒物對PM2.5的貢獻有多少？賀泓認為，據綠色和平組織的報告，2010年的二次生成的顆粒物在PM2.5中的比例，北京是60%，天津是53%，河北是59%。截至目前，科學家仍不太清楚某些二次顆粒物是如何形成的。「二次顆粒物的形成將是今後一個階段研究的重點。我們要加強大氣新顆粒物成核機制，二次顆粒物形成、增長和老化機制的研究，特別是霾形成機制中的關鍵過程。」他說。

本組圖片：建在室外的歐洲光化學實驗室204立方米平行雙環境煙霧箱，由兩個透明的特氟龍半球組成

現實環境中的大氣是個不斷運動的開放體系，自然條件變化多端，汙染物種類繁多，濃度不一，而且隨時間空間變化。因此要想在實際大氣中進行研究是十分困難的，當前研究大氣汙染基本有兩種方式，一種是直接對現實中的大氣汙染進行研究，如2008年奧運會期間，因為減排措施而導致汙染物驟然下降的這個過程，成為全球大氣物理科學家重點研究的「天然實驗室」。另一種方式則是在封閉的空間進行模擬實驗，即煙霧箱內通過注入不同的汙染氣體，研究其在日照作用下的各種化學反應，針對二次顆粒物的這些研究則離不開煙霧箱。

楚必武介紹，煙霧箱分室內和室外兩種，室外煙霧箱的優點是可以直接利用陽光作為光源，缺點是某些條件，比如溫度、光強等無法準確控制，無法保證實驗的重複性。室內煙霧箱可以克服室外煙霧箱的缺點，但只能以紫外燈或者氙燈作為光源，引發的光化學反應可能與真實大氣並不相同。

不管是室內煙霧箱還是室外煙霧箱，都有無法避免的缺點。煙霧箱無論多麼大，它總有一個邊界，煙霧箱的壁面可能吸收、吸附或者釋放化學物質，有些反應也可能發生在壁面上，這被稱之為「壁效應」。比如這個3立方米的箱子，汙染物才傳輸出去一點點，就碰上了箱子的邊界。而城市哪來的邊界呢？「所以對於研究大氣化學反應的煙霧箱來說，反應器的體積越大越好，體積越大的煙霧箱，表面積和體積之比越小，壁效應就越小，降低氣態物質和顆粒物質在反應器壁上的沉積越小，實驗結果就越準確。」清華大學的煙霧箱是一個小型的煙霧箱，雖然這樣一個幾立方米的反應容器可以用來當成煙霧箱，但是針對大氣化學的研究，尤其是牽涉到氣溶膠形成的研究，自然是體積大的更好。

近年來建設的煙霧箱體積在不斷增加，比如德國地質化學和動力研究所370立方米的煙霧箱、歐洲光化學實驗室204立方米平行雙環境煙霧箱（EUPHORE）、美國北卡羅來納州立大學300立方米煙霧箱等等。作為室外環境煙霧箱的典型代表，歐洲光化學煙霧箱位於西班牙瓦倫西亞，是兩個大小相同的煙霧箱，便於進行對照實驗。它看起來是兩個透明的半球，每個直徑9.2米，體積204立方米，建立在室外，通過自然光進行實驗。

賀泓研究小組目前剛剛建成一個30立方米的煙霧箱，他設想建造的造價5億元的煙霧箱實際上不止一個煙霧箱，由室內、室外多個煙霧箱組成，還包括一個引入真實空氣進行研究的超級觀測站。

通過煙霧箱研究他們已經有了一些研究結論。賀泓舉了個例子，氮氧化物和二氧化硫是最大的氣態汙染物，單獨的二氧化硫轉化成硫酸鹽是一個很慢的過程，比如大氣中的礦塵大部分轉化為亞硫酸鹽就停止反應了，但是他們發現如果氮氧化物和二氧化硫同時存在，過程就不一樣了，氮氧化物會促進二氧化硫向硫酸鹽轉化。於是他做了一個實驗，在密閉的空間中，沒有氧氣，以氮氣為背景，二氧化硫和二氧化氮並不能轉化成硫酸鹽，而在模擬的空氣中二氧化硫可以迅速轉化成硫酸鹽。「這就提示我們終極氧化劑是氧氣，礦塵和氮氧化物起到催化劑的作用。」

「倫敦煙霧事件時二氧化硫濃度達到毫克級，北京目前是微克級；洛杉磯煙霧事件臭氧濃度遠超我們現在的臭氧汙染濃度。但是為什麼我們的霧霾更頻發，更難治理呢？」賀泓說道，「我國的大氣汙染屬於複雜的複合汙染，把發達國家不同發展階段的汙染特性集中到同一個時期，在這種情況下，氧化性增強，霧霾頻發，更加難以治理。」

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