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        “追因溯源”助力大氣污染防治
        ——記中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員劉子銳

        2021-06-18 02:12:48
        科學(xué)中國(guó)人 2021年11期
        關(guān)鍵詞:硫酸鹽氣溶膠空氣質(zhì)量

        崔 芳

        劉子銳

        3月15日,早上7時(shí),當(dāng)不少人還安靜地沉浸在睡夢(mèng)中時(shí),一條《沙塵暴預(yù)警升級(jí):北方12省市出現(xiàn)大范圍黃沙》的消息在各大網(wǎng)站迅速傳播,相關(guān)預(yù)警消息也接連出現(xiàn)在很多人的手機(jī)里,希望第一時(shí)間引起人們的重視。

        中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的科研工作者是繼北京市氣象局之后,最早關(guān)注這一消息的群體。對(duì)他們來(lái)說(shuō),這一天是個(gè)忙碌的日子,因?yàn)閷?shí)時(shí)記錄溫度、濕度、氣壓等大氣參數(shù)對(duì)他們后續(xù)的實(shí)驗(yàn)將十分重要,他們不能錯(cuò)過(guò)這個(gè)機(jī)會(huì)。

        8時(shí)之后,空氣質(zhì)量繼續(xù)惡化,北京大部分地區(qū)的天空像開(kāi)了“昏黃”的濾鏡一樣,臟兮兮的,能見(jiàn)度也從2公里下降到小于1000米。當(dāng)一部分人出門(mén)上班時(shí),外套、頭上,全被蒙上一層細(xì)細(xì)的黃沙。不少人感嘆,這種世界末日般的氣象,已經(jīng)好多年沒(méi)見(jiàn)到過(guò)了。

        一直在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所忙碌的研究員們,是助力重霾污染預(yù)警和防控的環(huán)境保衛(wèi)者。此前很長(zhǎng)一段時(shí)間,他們就像研究對(duì)象空氣一樣,存在,但不顯山不露水。直到一場(chǎng)起源于蒙古國(guó)的黃沙,掀起了他們的面紗,也將他們置于聚光燈下。黃沙過(guò)后,人群散去,但作為大氣污染研究的主力軍,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員劉子銳和他所在的團(tuán)隊(duì),還將在環(huán)境長(zhǎng)征路上繼續(xù)前行。

        心系大氣環(huán)境

        翻開(kāi)國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局2001年發(fā)布的《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》,水環(huán)境保護(hù)赫然排在最前列,彼時(shí),保護(hù)水資源是大多數(shù)人對(duì)于環(huán)境保護(hù)的全部理解。那一年,劉子銳對(duì)環(huán)境科學(xué)的認(rèn)識(shí)也沒(méi)有多少,但他隱隱地覺(jué)察到,環(huán)境保護(hù)會(huì)是未來(lái)的新興行業(yè),于是,在高考志愿專業(yè)申報(bào)的那一欄中,他寫(xiě)下了環(huán)境科學(xué)。

        碩士期間,劉子銳開(kāi)展溫室氣體研究,2008年,劉子銳碩士畢業(yè),跟隨中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所王躍思研究員從事大氣物理與大氣環(huán)境研究。彼時(shí),正處于北京奧運(yùn)前夕,西方國(guó)家借環(huán)保不力對(duì)中國(guó)施加政治壓力。為了辦好這一國(guó)際盛事,劉子銳還未來(lái)得及好好迎接博士生涯,便披上鎧甲,真刀真槍地跟隨導(dǎo)師和國(guó)內(nèi)諸多單位聯(lián)合參與到奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障項(xiàng)目中。在他們的努力下,中國(guó)最終實(shí)現(xiàn)了自己的承諾:在北京奧運(yùn)會(huì)期間,北京市的空氣質(zhì)量不僅天天達(dá)標(biāo),而且有10天還達(dá)到了一級(jí),劉子銳所在研究團(tuán)隊(duì)也因此獲得“北京市奧運(yùn)先進(jìn)集體”榮譽(yù)。

        這次工作經(jīng)歷讓劉子銳受益匪淺,此后,在很多重要任務(wù)上,勤奮和細(xì)心,讓他總是可以先人一步。2010年,劉子銳開(kāi)發(fā)了基于環(huán)境顆粒物檢測(cè)儀的旁路采樣系統(tǒng)(ACCU),這個(gè)系統(tǒng)最終應(yīng)用在了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“碳專項(xiàng)”啟動(dòng)的全國(guó)氣溶膠化學(xué)組分地面聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)(CARE-China觀測(cè)網(wǎng));2011年,劉子銳開(kāi)始在CARE-China觀測(cè)網(wǎng)上監(jiān)測(cè)PM2.5的濃度,率先從國(guó)家尺度上揭示了PM2.5及其化學(xué)組分的空間分布特征,為后續(xù)相關(guān)工作的開(kāi)展奠定了重要基礎(chǔ);2013年元月,重霾中高濃度硫酸鹽的形成讓研究者困惑,劉子銳所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),基于觀測(cè)數(shù)據(jù)提出有別于傳統(tǒng)氧化途徑的硫酸鹽生成新機(jī)制,并在后續(xù)重大霧霾事件出現(xiàn)時(shí),第一時(shí)間采樣獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),與國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作,驗(yàn)證了高濃度硫酸鹽并非全部來(lái)自無(wú)機(jī)鹽,有機(jī)硫酸鹽亦有“重要貢獻(xiàn)”,回應(yīng)了行業(yè)困惑。

        受家庭教育和研究生導(dǎo)師影響,劉子銳對(duì)科研道路十分執(zhí)著。他說(shuō):“雖然我不知道自己究竟能對(duì)環(huán)境做出多大貢獻(xiàn),但我知道,我一定會(huì)在環(huán)境研究的道路上一直前行?!遍L(zhǎng)久的打算讓劉子銳變得堅(jiān)韌、穩(wěn)重,也讓他的科研成果越來(lái)越出色。

        專于機(jī)理研究

        從環(huán)保角度看,中國(guó)當(dāng)前大氣環(huán)境問(wèn)題的主要特點(diǎn)是污染來(lái)源復(fù)雜、影響范圍廣。作為長(zhǎng)期活躍在大氣污染研究領(lǐng)域的一線科研人員,劉子銳主要遵循“認(rèn)識(shí)污染物+治理污染物”兩步走研究思路,來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。

        之所以要分兩步走,是因?yàn)殡S著對(duì)污染物的深入研究,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),厘清污染物來(lái)源及二次生成機(jī)制,是解決當(dāng)前污染物治理瓶頸的關(guān)鍵。早期,污染物的治理措施相對(duì)簡(jiǎn)單——減排,只要排放減少了,PM2.5就下降了。但是,從最近的研究來(lái)看,北京的污染物治理正面臨拐點(diǎn),空氣質(zhì)量持續(xù)改善的壓力不斷增加。劉子銳解釋說(shuō):“原來(lái)我們排放10克的氣體,可能產(chǎn)生5克的顆粒物,但現(xiàn)在排放5克的氣體,空氣中就可能產(chǎn)生5克的顆粒物,污染氣體的轉(zhuǎn)化能力增強(qiáng),這讓環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題變得更加復(fù)雜?!?/p>

        最開(kāi)始引起劉子銳關(guān)注的是二次顆粒物。什么是二次顆粒物?科學(xué)家發(fā)現(xiàn),大氣中某些污染氣體之間,或污染氣體與氣溶膠顆粒之間,會(huì)發(fā)生多相化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生顆粒物,這就是二次顆粒物。二次顆粒物比一次顆粒物更加棘手。目前,劉子銳正著手研究二次顆粒物形成所需的條件,試圖通過(guò)厘清一次排放的源頭和二次生成的途徑,找到有效減少大氣顆粒物濃度的方法。

        其中,與氣粒轉(zhuǎn)化有關(guān)的新粒子成核機(jī)理是劉子銳近期關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于新粒子的來(lái)源,科學(xué)家之間仍有很多爭(zhēng)議。有人認(rèn)為,新粒子是氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化的二次顆粒,還有人認(rèn)為,新粒子是機(jī)動(dòng)車(chē)排放的一次污染物,為了確定新粒子來(lái)源,劉子銳借助325m氣象鐵塔,對(duì)城市不同梯度的污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前,通過(guò)研究初步清楚了新粒子成核的誘因及其化學(xué)增長(zhǎng)機(jī)制。

        環(huán)境治理牽一發(fā)而動(dòng)全身。雖然顆粒物的下降,會(huì)帶來(lái)空氣質(zhì)量的提升,但按下葫蘆又起瓢,近年來(lái),科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),細(xì)顆粒物PM2.5濃度的下降,會(huì)減少氣溶膠對(duì)HO2自由基的非均相攝取,進(jìn)而加劇地表臭氧的污染。因此,理清PM2.5和臭氧協(xié)同污染的關(guān)聯(lián),成為劉子銳案前的又一重點(diǎn)研究工作。

        著眼世界前沿

        環(huán)境保護(hù)問(wèn)題從來(lái)不能一勞永逸,環(huán)境治理工作也從來(lái)不是一國(guó)之事,在全球大氣環(huán)境污染治理日益嚴(yán)峻的今天,全世界環(huán)境科學(xué)研究者應(yīng)該聯(lián)起手來(lái),合作共贏。從研十余載,劉子銳不僅是這樣想的,也一直是這樣做的。

        在氣溶膠化學(xué)組分觀測(cè)和來(lái)源解析方面,劉子銳的研究成果為國(guó)外研究者提供了不小的助力。其中,清華大學(xué)、哈佛大學(xué)等國(guó)內(nèi)外二十余家研究機(jī)構(gòu)將PM2.5成分網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)集,應(yīng)用于數(shù)值模式結(jié)果驗(yàn)證以及細(xì)顆粒物健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的區(qū)域模式模擬;德國(guó)于利希研究中心Andreas Wahner教授,也將PM2.5成分網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)集用于其正在編寫(xiě)的關(guān)于全球氣溶膠組分研究進(jìn)展的IPCC報(bào)告。

        此外,在氣溶膠“爆發(fā)增長(zhǎng)”物理化學(xué)機(jī)制及致霾機(jī)理研究方面,重霾過(guò)程硫酸鹽的非均相生成—即氣溶膠水相中NO2催化SO2轉(zhuǎn)化的機(jī)制在國(guó)內(nèi)外的煙霧箱實(shí)驗(yàn)中也得到大幅應(yīng)用。如英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)士Roy M. Harrison教授團(tuán)隊(duì)引用關(guān)于硫酸鹽形成機(jī)制的研究成果,作為分析北京地區(qū)硫酸鹽季節(jié)變化的直接證據(jù);美國(guó)工程院院士、加州理工學(xué)院Michael R Hoffmann教授團(tuán)隊(duì)引用研究結(jié)果作為其開(kāi)展硫酸鹽非均相生成煙霧箱實(shí)驗(yàn)的外場(chǎng)環(huán)境條件。作為中國(guó)的環(huán)境研究工作者,劉子銳在國(guó)際環(huán)境協(xié)同治理中毫無(wú)保留地貢獻(xiàn)了自己所有的力量。

        當(dāng)然,國(guó)外的研究思路也給了劉子銳新的科研啟發(fā)。在國(guó)際著名大氣化學(xué)家、德州農(nóng)工大學(xué)張人一教授的講座中,劉子銳看到了國(guó)內(nèi)外空氣治理的差異。他總結(jié)說(shuō):“從國(guó)內(nèi)來(lái)看,我們的主要工作是解決過(guò)去和現(xiàn)在的污染,但國(guó)外現(xiàn)階段比較重視環(huán)境治理與氣候變化的問(wèn)題。為什么呢?以大氣中新粒子的成核研究為例,目前雖然和大氣污染沒(méi)有直接關(guān)系,但是它會(huì)影響太陽(yáng)輻射能量平衡和成云過(guò)程,直接和間接影響氣候變化。所以未來(lái),我們的研究不僅要著眼于現(xiàn)階段的污染物治理,還要著眼于未來(lái)與大氣污染治理相關(guān)的氣候變化問(wèn)題?!?/p>

        為了引進(jìn)新思想,劉子銳決定前往國(guó)外取經(jīng)。在將國(guó)外的機(jī)理模式應(yīng)用于中國(guó)的同時(shí),也將國(guó)內(nèi)外的研究相結(jié)合,解決國(guó)內(nèi)外大氣環(huán)境污染的共性問(wèn)題。從研究生階段的溫室氣體研究,到博士期間聚焦國(guó)內(nèi)空氣污染的大氣顆粒物研究,再到如今放眼世界的大氣化學(xué)研究,大氣在循環(huán),劉子銳的工作也在國(guó)內(nèi)外研究中循環(huán)。

        3月15日,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所325米的鐵塔記錄完重霾數(shù)據(jù)后,于第二天又露出了清晰的輪廓。鐵塔下,熙熙攘攘的上班族也恢復(fù)了往日的狀態(tài),此時(shí),只有研究所的劉子銳等科研工作者們還一直忙碌著,并且,他們會(huì)為了外面的人能享受優(yōu)良的空氣質(zhì)量而一直忙碌著。

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