茫茫人海，兩個人相遇是緣分；從133倍于地球人口數(shù)的氣體分子中,找出最關(guān)鍵的2個分子——一個氣體硫酸分子和一個二甲胺分子,使之碰到一起，那就可能發(fā)生大氣新粒子形成事件了。

歷經(jīng)7年努力，復(fù)旦大學(xué)科研人員首次發(fā)現(xiàn)并證實了我國典型城市大氣中的硫酸-二甲胺-水三元成核現(xiàn)象，揭示了上海“大氣新粒子”形成的化學(xué)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(xué)證據(jù)。日前，這一成果發(fā)表于《科學(xué)》。

一個未解之謎

城市大氣污染物中的納米微細粒子，是怎樣從無數(shù)空氣分子中的關(guān)鍵分子形成的？污染城市大氣新粒子形成事件的化學(xué)與物理機制，一直是個未解之謎。

這個形成過程中，從小于1納米的氣態(tài)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(zhì)量和粒徑都十分微小，可謂“看不見，摸不著”，這給科研人員的測量提出了極大的挑戰(zhàn)。

針對這一難題，復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系王琳團隊，2014年在上海開展了兩年的連續(xù)大氣觀測。他們和芬蘭赫爾辛基大學(xué)的科學(xué)家一起，用了一年半的時間，完成了對收集來的海量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)整理和深入分析。他們測得了上海城市大氣中1—700納米區(qū)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等，也獲得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(xué)組分。

通過研究，他們發(fā)現(xiàn)，大氣新粒子的形成過程中，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(wěn)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(xù)生長，達到一定尺寸后，其他物種（例如極低揮發(fā)性有機化合物）開始加入這個過程，并最終形成大氣新粒子。

二次形成過程

一般認為，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，王琳這樣的科研人員將其稱之為“一次排放”。除了“一次排放”，空氣中還時常發(fā)生著顆粒物的“二次形成”。

“二次形成”過程更為復(fù)雜。王琳告訴科技日報記者，該過程大致分為兩種：第一種過程指空氣中的揮發(fā)性氣體可通過化學(xué)反應(yīng)生成飽和蒸氣壓較低的反應(yīng)產(chǎn)物，這類物質(zhì)會凝降在已有顆粒物的表面上，增加顆粒物的質(zhì)量濃度；而另一種過程則會大幅增加顆粒物的數(shù)量濃度，大氣中部分氣體分子隨機碰撞，通過分子間作用力或化學(xué)鍵而生成分子團簇，分子團簇的進一步生長則形成了納米微細粒子，也就是大氣新粒子，期間發(fā)生從氣體到凝聚態(tài)的相變；這些納米微細粒子的繼續(xù)生長，則可以造成大氣PM2.5污染。

“‘二次形成’讓大氣中的顆粒物變得更‘重’、更‘多’，我們課題組目前主要關(guān)注變‘多’的過程，研究城市空氣中的大氣新粒子是怎么形成的。”王琳說。

王琳認為，在中國典型的城市環(huán)境中，除了加強對污染物一次排放的監(jiān)測和管理，對“二次形成”也應(yīng)予以同樣程度的重視。

因為此項研究中提出的化學(xué)機制，參與大氣新粒子形成過程中的關(guān)鍵化學(xué)物種將得到更有針對性的控制，這樣，便可以有望有效降低空氣中顆粒物的數(shù)量濃度，減輕我國的大氣顆粒物污染。甚至，從更大的維度來看，將這一機制運用于全球氣候模式中，能夠更好地模擬全球大氣顆粒物乃至云凝結(jié)核的數(shù)目，更好地理解整個地球的氣候變化趨勢。

談及項目之后的發(fā)展，王琳說：“我們的研究還有很多值得進一步探索的地方，這個項目之后還會繼續(xù)。”他希望，該研究成果能進一步明確我國城市大氣新粒子形成事件中的主控因素，理解城市大氣新粒子形成事件與霧霾形成的關(guān)系。