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(shù)地區(qū)空氣首要污染物.根據(jù)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(zhì)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)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(chǎn)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(zhuǎn)變成PM2.5.直接排放主要來自于燃料燃燒等活動，如柴油發(fā)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(chǎn)生的碳黑粒子.每當夏收和秋收季節(jié)我國一些地區(qū)特別是經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)比較發(fā)達的大中城市郊區(qū)，田間地頭、道路兩旁隨意焚燒農(nóng)作物秸稈，造成環(huán)境污染.在空氣中轉(zhuǎn)化成PM2.5的氣體污染物主要有SO2、NOx、NH3、揮發(fā)性有機物等，他們經(jīng)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(fā)性有機物排放、氮氧化物排放以及大氣環(huán)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(chǎn)、動物糞便、焦炭生產(chǎn)等.

地區(qū)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(zhì)顆粒和不明物質(zhì)等組成，［1］濟南市環(huán)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(zhì)，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(jīng)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(jù)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(zhì)量，b為阻力系數(shù).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(zhì)量m和阻力系數(shù)b有關：微粒的質(zhì)量m越大重力就越大，微粒下落就會越快；阻力系數(shù)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(shù)，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(guī)則，微粒在空氣中運動時特別是碰撞之后，常常會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加之氣流的運動會產(chǎn)生垂直于顆粒的升力，確切地得出阻力系數(shù)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(shù)天至數(shù)月，可輸送到數(shù)百至數(shù)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(zhàn)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(huán)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(zhì)是可見光的傳播受到阻礙，發(fā)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(zhì)所產(chǎn)生的偏離原來傳播方向向四周散射的現(xiàn)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(zhì)點的性質(zhì)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(shù)據(jù)也清楚地表明這一點：粗顆粒的消光系數(shù)約為0.6m2／g，而PM2.5的消光系數(shù)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(shù)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(zhì)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(fā)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(zhì)對電磁波是絕對透明的.光的強度隨穿進介質(zhì)的深度而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)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(zhì)中一段距離l光強滿足朗伯定律：I＝I0e－αl（α為吸收系數(shù)）.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(qū)別的：霧是一種自然現(xiàn)象，是因懸浮的水汽凝結、能見度低于1km時的天氣現(xiàn)象；而灰霾天是一種大氣污染現(xiàn)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(guī)的出臺，如《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評價，加之國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)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(huán)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(shù)計算及動力學行為分析.桂林理工大學學報，2011（5）.