復旦學者揭示大氣污染新粒子形成機制

復旦大學王琳團隊揭示大氣污染新粒子形成的化學機制，圖片來自china.org.cn

撰文 | 鞏持平

責編 | 葉水送

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

近些年來，國內霧霾事件頻繁發生。理解霧霾形成的機制，是防控霧霾的重要一步。

最近，復旦大學環境科學與工程系教授王琳和他的科研團隊在《科學》（Science）雜誌報告並證實大氣污染納米微細粒子（硫酸-二甲胺-水）形成的新機制，為我國大氣顆粒物污染防治政策的制定提供了新的科學證據。

大氣污染納米微細粒子形成的新機制被揭示，圖片來自sciencemag.org

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。「這是由人類活動或者自然活動所帶來的大氣顆粒物直接排放，我們的『術語』稱之為『一次排放』。」王琳介紹說。

除了「一次排放」，在空氣當中，時常發生著的，還有顆粒物的「二次形成」。相較於「一次排放」，「二次形成」過程較為複雜。「『二次形成』讓大氣中的顆粒物變得更『重』、更『多』。」王琳表示。

「更多」意味著會有新的粒子形成，而污染城市大氣中的新粒子形成事件的化學與物理機制一直不甚清楚。

這主要與「二次形成」的新粒子發現困難有關。在大氣新粒子的形成過程中，從小於1納米的氣態前體物分子到1-2納米左右的分子團簇再到幾個納米的納米微細粒子，質量和粒徑都十分微小，其大氣混合比更是在兆分之一（10-12）以下。除此以外，從測量到識別再到形成機制的推導，每一個步驟的推進都是一次「拓荒」。

從2014年3月到2016年2月，王琳團隊在上海開展了長達兩年的連續大氣觀測。「我們就在復旦大學邯鄲校區第四教學樓的樓頂做（實驗），那裡有一個環境系的大氣超級觀測站。」但這一技術還遠遠未發展到高度自動化的「黑箱」階段，只有使用者對儀器有深入了解並積累了豐富的使用經驗，才能在一定程度上保障測量數據的準確性和真實性。

2015年至2016年冬季，他們還使用了包括飛行時間質譜在內的更多儀器設備，進行了加強觀測，積累了數百G的數據。此後，該團隊和來自芬蘭赫爾辛基大學的合作者用了一年半的時間，對收集來的海量數據進行系統的整理和深入的分析。

外場觀測所測得的大氣新粒子形成速率與實驗室模擬類似

最終，王琳團隊測得了上海城市大氣中1-700 納米區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；以及測量了大氣新粒子形成事件期間大氣中性和帶電分子團簇的化學組分。

大氣新粒子到底是如何形成的？研究者發現，一個氣體硫酸分子和一個二甲胺分子隨機碰撞，通過氫鍵形成穩定的分子簇，分子簇通過與其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺團簇的碰撞繼續生長；一定尺寸以後，其他物質開始加入這個過程，並最終形成大氣新粒子。硫酸-二甲胺-水三元成核機制可以用於解釋我國典型城市大氣中的大氣新粒子形成事件。

王琳希望，在現有的硫酸-二甲胺-水三元成核化學機制框架下，能進一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的前體物主控因素，理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關係，從而助力國家推出更有針對性的污染防控措施。

相關文章：

Yao L et al. Atmospheric new particle formation from sulfuric acid and amines in a Chinese megacity. Science,2018.361, 278-281. DOI: 10.1126/science.aao4839.

製版編輯 | 黃玉瑩

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