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中科院新研究用同位素探明:燃烧产生水汽如何与雾霾交互作用

同位素
发布:2020-12-25 14:16:29     来源:澎湃新闻
水蒸气看似清洁无害,可能也是雾霾的帮凶之一?

中国科学院地球环境研究所领衔的团队通过现场观测、同位素分析和数值模拟发现,部分燃烧产生的水蒸气增加了相对湿度,导致气溶胶中PM2.5积聚。

在空气重污染期间,燃烧产生的水蒸气平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5,相当于当地人工源PM2.5的5.1%,最高则可能贡献18.2%。

水蒸气与雾霾

科学家们早已发现,水蒸气与雾霾有着紧密的关联。所谓PM2.5,指的是环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的细颗粒物,直径还不到头发丝粗细的1/20。

这些PM2.5是怎么来的呢?它们有些是直接排放出来的一次粒子,还有些是由二氧化硫、氮氧化物等气体污染物通过大气化学反应而生成的二次粒子。

而大气相对湿度的提高会提高二氧化硫和氮氧化物的非均相氧化速率,从而促进二次气溶胶的形成,恶化空气质量。因此,特别是在空气扩散条件不好的情况下,大量原本清洁的水蒸气聚集在低空,可能会成为雾霾的帮凶。

大气最低层中的水蒸气主要来自海洋的输送,由化石燃料或生物质燃烧产生的水蒸气在全球大气水收支中可以忽略不计。

然而,2015年美国学者的一项研究针对位于封闭盆地内的犹他州盐湖城,发现在特定日子里大气最低层中高达13%的水蒸气来自于燃烧产生水。这些水分到底是空气污染的因还是果,亟待明确。

追踪氢氧同位素

要明确燃烧产生水对空气的影响,首先要解答的问题是,空气中到底有多少水是由燃烧产生的?

此时,同位素分析工具就可以排上用场。具有相同质子数,不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素。例如,所有氢原子都由1个质子构成,但又可细分为氕(P)氘(D)氚(T)三种同位素,分别含有0、1、2个中子。

我们都知道,水是由氢和氧两种元素组成的,特定区域使用的特定能源会导致燃烧产生水中氢同位素和氧同位素比例呈现出一组特征,从而可用于溯源。

为此,中科院的这个研究团队在三个冬季内(雨天除外)连续测量某地近地表水蒸气稳定氢同位素δD、氧同位素δ18O成分数据,时间分辨率达到小时级别。

接着,研究人员实验测定了煤、天然气、汽油等化石燃料的端元δD和δ18O,通过当地的能源清单计算出了燃烧产生水的加权端元同位素组成。

统计发现,燃烧产生水平均占到大气湿度的6.2%,最高贡献达到16.2%。在PM2.5上升期间,其份额与PM2.5和相对湿度呈现出正相关。

最后,研究团队利用WRF-Chem模型模拟了2015年12月27日至2016年1月15日的19天重霾事件,以检验SO2、NO2和燃烧产生水对PM2.5形成的影响。

模型表明,在当地空气重污染期间,燃烧产生的水蒸气平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5,相当于当地人工源PM2.5的5.1%,最高则可能贡献18.2%。

“煤改气”是减少污染物排放、改善空气质量的重要能源政策之一,然而,在产生相同能量时,天然气燃烧产生的水蒸气比燃煤多3倍。该研究团队认为,需要进一步谨慎评估能源结构对空气污染的影响。

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