PM2.5的動力學行為分析及其對能見度的影響

陳 建

（南通高等師范學校，江蘇 南通 226006）

1 PM2.5的基本組成與來源

在我國空氣中懸浮顆粒物是大多數地區空氣首要污染物.根據顆粒物粒徑大小通常可分為降塵、總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物和細顆粒物.較粗的粒子，它靠自身的重量即可較快沉降到地面，稱降塵，降塵的粒徑范圍大約為100～1 000μm.粒徑小于100μm的稱為TSP，即總懸浮顆粒物.粒徑小于10μm的顆粒物，以PM10表示，它可以通過呼吸進入人體的上、下呼吸道，故又名可吸入顆粒物.粒徑小于2.5μm的顆粒物，以PM2.5表示，通常稱可入肺顆粒物，又叫細顆粒物.TSP、PM10、PM2.5在粒徑上存在著包含關系.雖然PM2.5只是地球大氣成份中含量很少的組份，但它與較粗的大氣顆粒物相比，富含大量的有毒、有害物質，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大，正日益成為表征城市大氣污染的首要指標.

雖然自然過程（如道路揚塵、火山灰、森林火災等）也會產生PM2.5，但PM2.5的主要來源還是人為排放.人類既直接排放PM2.5，也排放某些氣體污染物，在空氣中轉變成PM2.5.直接排放主要來自于燃料燃燒等活動，如柴油發動機汽車、鍋爐、廢物焚燒、露天燒烤、火燒秸稈和居民燒柴等產生的碳黑粒子.每當夏收和秋收季節我國一些地區特別是經濟和農業比較發達的大中城市郊區，田間地頭、道路兩旁隨意焚燒農作物秸稈，造成環境污染.在空氣中轉化成PM2.5的氣體污染物主要有SO2、NOx、NH3、揮發性有機物等，他們經化學反應后可以形成粒徑較小的硫酸鹽、硝酸鹽等二次粒子.二次粒子的生成與SO2排放、揮發性有機物排放、氮氧化物排放以及大氣環境中臭氧生成能力有關，SO2主要來源于燃煤鍋爐和燃油鍋爐，NOx主要來源于鍋爐與機動車，NH3主要來源于化肥生產、動物糞便、焦炭生產等.

地區不同，污染源種類不同，PM2.5的組成成份會有差異.如：上海PM2.5主要由煙塵集合體、燃煤飛灰、礦物顆粒、生物質顆粒和不明物質等組成，［1］濟南市環境空氣中PM2.5的首要污染源是機動車尾氣塵，其次是土壤塵、建筑塵、硫酸鹽等二次粒子.［2］一般而言，PM2.5主要成分是元素碳、有機碳化合物、硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽，還含有鉛、鋅、砷、鎘、銅等有毒重金屬元素.由于PM2.5可以穿過肺部并存留在肺的深處，且它富集、攜帶多種致癌和有毒物質，日益成為大氣污染物中損害人體健康的元兇，同時它也是人為能見度下降的禍首，目前已經成為世界各國研究的重點.“PM2.5”已成為2011歲末大眾科普最熱的詞匯.

2 PM2.5的動力學行為分析

PM2.5顆粒細小，但它在空氣中的停留時間長、輸送距離遠，影響范圍大，這是由微粒受重力、空氣阻力作用的動力學行為所決定的.

如圖1所示，設微粒在有阻力的空氣中無初速地自離地面為h的地方豎直下落，并設空氣對微粒的阻力與微粒運動速度的一次方成正比，根據牛頓運動定律微粒運動的微分方程為［3］

圖1

其中m為粒子質量，b為阻力系數.即

對上式再積分，并考慮t＝0時，x＝h，故

可見，微粒的運動與微粒受到的重力mg、微粒的質量m和阻力系數b有關：微粒的質量m越大重力就越大，微粒下落就會越快；阻力系數b越大空氣對微粒的阻力就越大，微粒下落就會變慢.當時間足夠長時，微粒的速度大小接近極限速率

有學者在研究中將微粒視為表面光滑的剛性圓球體，運用碰撞理論計算了微粒的空氣阻力系數，并研究了微粒大小與飄落所需時間的關系，得出：在一定溫度下，微粒越小，飄到地面所需的時間就大，但不是簡單的線性關系.［4］當然，空氣中微粒的形狀極不規則，微粒在空氣中運動時特別是碰撞之后，常常會發生旋轉，加之氣流的運動會產生垂直于顆粒的升力，確切地得出阻力系數是困難的.但以上分析中得出的“當微粒的體積很小時，飄落到地面上所需的時間將會很長”仍成立.由此，導致PM2.5在空氣中停留時間長達數天至數月，可輸送到數百至數千公里之外，難于從空氣中清除.

3 PM2.5對能見度的影響

“車轔轔，馬蕭蕭，行人弓箭各在腰.耶娘妻子走相送，塵埃不見咸陽橋.”杜甫在詩《兵車行》中說的是戰前送別中車馬人流揚起的灰塵會影響到空氣的可見度.自20世紀70年代以來，大氣顆粒物對能見度的影響就一直是環保部門關注的問題之一.盡管PM2.5肉眼看不見，但它對陽光消解明顯，會降低空氣的能見度，使藍天消失，天空變成灰蒙蒙的一片.能見度降低的本質是可見光的傳播受到阻礙，發生光的散射和吸收.

3.1 光的散射效應

光束通過不均勻介質所產生的偏離原來傳播方向向四周散射的現象稱光的散射.散射作用的強弱取決于入射電磁波的波長及散射質點的性質和大小.研究表明，光散射是影響能見度的第一大貢獻者.

在潔凈的、未受污染的大氣中，大部分的散射是空氣中的分子（主要是氧和氮分子）引起的，這些分子的大小比可見光的波長要小得多.瑞利理論指出，散射光強和波長的四次方成反比在這種情況下，散射主要影響波長較短的光.我們目睹天空看到的蔚藍色正是光譜中藍色附近顏色的混合色.

當天氣不好或者有大氣污染的時候，藍天不藍，天空呈灰蒙蒙的，能見度下降.有研究表明：其中顆粒物的散射能造成60～90%的能見度減弱.當顆粒物的直徑和可見光的波長接近的時候，顆粒對光的散射消光能力最強.可見光的波長在0.4－0.7μm之間，而粒徑在這個尺寸附近的顆粒物正是PM2.5的主要組成部分.理論計算的數據也清楚地表明這一點：粗顆粒的消光系數約為0.6m2／g，而PM2.5的消光系數則要大得多，在1.25－10m2／g之間，其中PM2.5的主要成分硫酸銨、硝酸銨和有機顆粒物的消光系數都在3m2／g左右，是粗顆粒的5倍.因此，不少學者都認為細顆粒物質量濃度是導致能見度下降的主要原因.要說明的是，在PM2.5濃度相同情況下，隨著相對濕度的增加能見度會逐漸降低，特別是相對濕度大于80%時，能見度隨著濕度的增加快速下降.因為PM2.5中有不少可溶性粒子，如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽以及有機酸鹽等，這些粒子的吸水性很強，隨著相對濕度的增加，顆粒物的粒徑、折射率發生改變，對光的散射增強.

3.2 光的吸收效應

除了真空，沒有一種介質對電磁波是絕對透明的.光的強度隨穿進介質的深度而減少的現象，稱為介質對光的吸收.大氣中顆粒物對光的吸收效應構成能見度下降的另一重要原因.

強度為I0的光束進入均勻物質中一段距離l光強滿足朗伯定律：I＝I0e－αl（α為吸收系數）.研究表明，PM2.5對光的吸收效應幾乎全部是由碳黑（也稱碳元素）和含有碳黑的顆粒物造成，粗煤灰粒子（大于1μm）的光吸收效應實際上比細煤灰粒子低.盡管全世界每年排放的碳黑僅占全部顆粒物排放量的0.2－1.0%，但是他們的總消光程度是透明顆粒的2－3倍，導致光強降低很多，某些地方甚至使能見度降低一半以上，還可形成煙霧而使城市呈褐色.

PM2.5會降低空氣的能見度，使藍天消失，天空變成灰蒙蒙的一片，這種天氣稱為灰霾天氣.但“霧”和“霾”是有區別的：霧是一種自然現象，是因懸浮的水汽凝結、能見度低于1km時的天氣現象；而灰霾天是一種大氣污染現象，是空氣中懸浮的大量微粒尤其是其中PM2.5和氣象條件共同作用的結果.

小粒子，大問題.相信隨著人們對PM2.5危害性的認識，國家嚴格的控制法規的出臺，如《環境空氣質量標準》中將PM2.5納入常規空氣質量評價，加之國內外許多研究人員已經開始對PM2.5脫除從機理和運行工藝上的研究，未來我們周圍的空氣將更清新、天空將更明朗.

1 呂森林等.上海市PM2.5的物理化學特征及其生物活性研究.環境科學，2007（3）.

2 溫新欣等.濟南市PM2.5來源的解析.濟南大學學報（自然科學版），2009（7）.

3 周衍柏.理論力學教程.北京：高等教育出版社，1986.

4 李武鋼.空氣微粒的阻力系數計算及動力學行為分析.桂林理工大學學報，2011（5）.