空氣污染和太陽輻射

章琪/編譯

空氣污染和太陽輻射

章琪/編譯

空氣污染并不是靜態的。不同的物質相互作用，反應物組合不斷改變，相應的化學反應也就持續發生著。克里希納· L·福斯特（Krishna L. Forster，左圖），加州州立大學化學教授，同時也是美國自然科學協會（Sigma Xi）的榮譽講師，正在研究太陽輻射對于微粒復合反應造成的影響，一個經典的例子就是汽車尾氣中包含的小顆粒。《美國科學家》主編法尼拉·桑德斯（Fenella Saunders）最近對她進行了專訪。

問：您正在研究空氣中的微粒，可以為它們下一個確切的定義嗎？

答：空氣微粒主要是指那些在大氣層中廣泛分布，但并非氣體分子的物質。它們以固態或液態的形式存在，因此而生的獨特性質也讓人們將它們從大氣一般成分中獨立出來。它們懸浮在空中，視顆粒大小而定，有時持續存在幾天甚至幾個星期。

灰塵是這類顆粒物中體積比較大的一個分支，它們的直徑一般大于10微米，差不多是一根頭發絲的寬度。但這一類我們并不需要太過關注，因為它們極少有可能深入人類的呼吸系統。目前研究的重點是直徑小于2.5微米的顆粒，因為當人們吸入這些顆粒的時候，它們會順勢進入呼吸系統，從而引發一系列的健康問題。

發生在此類微粒上的損傷過程與那些氣相污染物非常類似，但是這一類固體微粒的變化結果——比如大概要多長時間發生化學反應，化學反應的產物為何，這些與氣相情況全然不同。這也是我研究大氣層中這一類固體微粒的反應的原因，我需要了解它們如何影響“最初污染物隨時間發生改變”的這個過程。

問：這些固體微粒是如何形成的？

答：一般情況下通過機械撞擊形成的固體小微粒——比如海浪拍打岸邊礁石時卷下的小顆粒，直徑都在10微米以上。為何我們要把衡量標準設置成2.5微米呢？因為這是化學反應，尤其是燃燒，可能產生的最大顆粒直徑。它甚至可能源于一個吸附了固體雜質的氣體微粒，或者是一開始就是一個已經存在的小微粒——比如空中懸浮的小水滴，然后不斷吸附，溶解各種雜質和可溶化學物質。

問：為何化學燃燒被認為是PM2.5小微粒的特定來源？

答：當我們說到燃燒產生的小微粒，你第一個想到的可能就是煙灰。在19世紀初的倫敦，年輕的煙囪清掃工在年紀漸長時罹患肺癌的比率幾乎是一個驚人的數字。當下，汽車尾氣中含有相似的致癌物成分。不完全燃燒的烴類化合物的主要成分——無論其源于1800年代的煙囪還是現在的汽車尾氣——都是一致的。它們被稱為多環芳烴（PAH），意思是一系列緊密相連形成不同結構的苯環的衍生物。苯環是一個可以看作單雙鍵交替的六元環狀化合物，呈正六邊形。

許多能夠在人類生理結構中體現功能的分子都有著相似的結構。因此毒性危害的一種途徑便是“迷惑替代”，從外界攝入的有毒有害物質與體內原有的需要在生理活動中行使其功能的化學物質結構相似，機體無法分辨，因此干擾了正常生命活動，造成傷害。

日常生活中與PAH的接觸是無法回避的。比如燒烤的時候就一定會存在燃燒不完全的情況，而機體在這方面的自我防護能力還是很強的。但是如果有持續的大量接觸，危險就會產生了。因此，享用一塊美味的烤玉米對身體來說不算什么大事，但把房子建在一條擁堵的高速公路邊上這種事，還是盡可能避免比較好。

問：在這些小微粒間進行的反應中，太陽扮演了一個什么角色？

答：太陽是一種強大的能量來源，當化學反應和物質轉換進行的時候，電子的得失是一個非常重要的環節。在絕大部分波長的輻射下，化合物穩定存在，電子的行為并不會受太大影響。但是一旦他們遇見了合適波長的輻射所釋放的能量，化合物就會吸收它。電子被這一部分能量激發，發生躍遷。一旦電子發生了此類轉移，化學反應就真正地開始了。

光化學研究的理論基礎就是光誘發電子躍遷的能力，而這種能力可以在整個化學反應的進程里起到決定性的作用。能量是量子化的。它在不同的電子軌道上分級儲存，也就是說，能量呈階梯狀變化，并不連續。第一層的基態原子所具有的能量最少，它們吸收了恰好總量的能量，因此躍遷到第二個階梯，成為激發態電子。但因為能量無法穩定供給，它們趨向于回到第一層的基態狀態。它們在回去的過程中會釋放能量，這部分能量有著諸多的表現形式：有時候它們會以光輻射的形式被釋放出來，有的時候會成為熱輻射，還有的時候，這部分能量被轉變成其他形式，儲存在別的分子里。

問：在你的研究里你提到太陽光可以讓這些微粒衰老，它是如何做到這一點的？

答：汽車尾氣中那些燃燒的直接產物成分已經被人們摸透了。這些直徑小于2.5微米的小微粒并不會馬上沉積在地表，而是懸浮在空中——有的時候是幾天，有的時候幾星期，在這段時間里它們有足夠的時間被太陽光激發，發生一系列次生反應。

你剛開始研究的是已經清楚化學成分的那些基本物質，但隨著時間流逝，在太陽提供的源源不斷的能量的影響下，這些被排放的化學物質不斷發生電子的得失和轉移，化學組成也在隨時間不斷變化。同時，你還需要考慮到時間對混合過程的影響。舉例說，多環芳烴并不能夠在沒有氧化劑的條件下自行反應，但是如果空氣中的其他物質剛好能作為氧化劑，而隨著時間推移它們和多環芳烴充分接觸的話，化學反應就可以進行了。有許多氧化劑能夠和多環芳烴反應。因此，多環芳烴和空氣中的氧化劑混合，又受到陽光照射提供能量，過了一段時間以后，你在汽車尾氣管邊上能找到的污染物化學成分和幾天前它剛被排放出來時可就大不相同了。

問：有多少潛在反應會涉及到你剛才舉的多環芳烴的那個例子？

答：就僅僅我剛才說的，多環芳烴在與氧分子吸收了光能之后形成的單線態氧分子反應，就已經包括了至少十余種具體反應。只是一個電子轉換的機理，就可能會造成300余種類似的反應。

問：為什么你會選在北極地區來進行你的研究？

答：我選擇了世界的最北邊來進行研究，一個原因是因為世界是統一的，人類活動造成的影響在任何地方都會得到體現。另一個原因是，在北極研究可以非常有效地避免城市系統的干擾以及人為排放的其他污染物的影響。在北極會存在一段極夜時期，可以為研究提供一個充分的暗環境，因此對于光敏反應的研究來說控制變量也變得更加方便。

問：你認為提升空氣污染研究水準的最好途徑是什么？

答：我認為，誠然需要幾個人大聲疾呼，為我們做出宣傳，但更多的人需要腳踏實地地工作。

我們是訓練有素的懷疑論者。讓某種固守的傳統發生改變，需要大量的信息搜集和公眾科普工作。這也是實踐科學最主要的目的之一。我們要做有責任心的探險家，我們需要提出有意義的科學問題，并且孜孜不倦地鉆研它們。

問：我知道你的研究數據已經被納入氣候變化模型中。你覺得未來人們能夠更好地理解氣候變化嗎？

答：早在20世紀80年代，隨著極地地區臭氧層空洞的出現，科學家們就已經對政界發出了緊急呼吁，他們刻不容緩地需要在這個現象的誘發原因上達成共識。而那一次合作的結果是針對氟氯烴嚴格的立法限制。這個合作的積極意義展現得比較慢，這也是事實——因為立法必然伴隨著對經濟的影響。付出和回報總是并存的。針對氣候變化這個問題，目前科學界已經達成了共識，接下來就是要尋求和立法者的合作了。

[資料來源：American Scientist][責任編輯：粒灰]