被霧霾籠罩的北京城區(qū)（攝于2013年1月30日）
5億元的煙霧箱
清華大學(xué)西門(mén)附近一間不起眼的實(shí)驗(yàn)室中有個(gè)類(lèi)似大冷柜的裝置，就是前陣子人們議論紛紛的“煙霧箱”。這是一個(gè)小型的煙霧箱，只有3立方米，而大型煙霧箱則高達(dá)數(shù)百立方米。
3月初，媒體傳來(lái)“中國(guó)計(jì)劃在北京懷柔建設(shè)世界最大的‘煙霧箱’，初步預(yù)算5億元”的消息。“煙霧箱”計(jì)劃聽(tīng)起來(lái)是個(gè)快速跟蹤濃重霧霾的好方法，很快引起了大家關(guān)注。該項(xiàng)目的籌備負(fù)責(zé)人、中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員賀泓則表示，中科院的確已就此項(xiàng)目計(jì)劃制訂了方案并上報(bào)發(fā)改委，但截至目前尚未收到項(xiàng)目得到批準(zhǔn)的消息。
3月9日，在全國(guó)人大新聞中心舉行的環(huán)保主題記者會(huì)上，環(huán)保部副部長(zhǎng)吳曉青回應(yīng)了此問(wèn)題，表示環(huán)保部支持有關(guān)部門(mén)建設(shè)大型的“煙霧箱”模擬實(shí)驗(yàn)室。但賀泓已然被各種傳言弄得焦頭爛額，不愿再多談這個(gè)問(wèn)題。“一切以中科院的說(shuō)法為準(zhǔn)。”他說(shuō)。
煙霧箱究竟是一個(gè)什么樣的東西，能對(duì)改善大氣污染做哪些貢獻(xiàn)？楚必武以前在清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院李俊華教授的實(shí)驗(yàn)室讀博士，從2008年起開(kāi)始用煙霧箱做研究，畢業(yè)后在賀泓的研究小組工作，他對(duì)清華大學(xué)這個(gè)小型的煙霧箱了如指掌。
“這個(gè)冷柜一樣的外殼就是一個(gè)空調(diào)室，能夠保持溫度恒定。”楚必武給本刊記者打開(kāi)煙霧箱的柜門(mén)，里面是一個(gè)很大的立方形透明塑料袋，塑料袋由特氟龍薄膜制成，容積為3立方米，上下左右包圍著40盞燈。“特氟龍薄膜幾乎不參與化學(xué)反應(yīng)，而且對(duì)太陽(yáng)光中紫外線(xiàn)部分幾乎無(wú)阻擋作用，使得煙霧箱中的氣體能接受到真實(shí)太陽(yáng)光紫外線(xiàn)的照射而發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。”楚必武說(shuō)。
特氟龍塑料袋里，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求加入不同比例的各種氣體，比如汽車(chē)、工廠等污染源排入大氣的碳?xì)浠衔锖偷趸衔铩Ｕ{(diào)整好溫度、濕度等條件后，打開(kāi)紫外燈，模擬白天這些污染物在陽(yáng)光照射下的反應(yīng)。8小時(shí)的反應(yīng)過(guò)程中，塑料袋中的氣體會(huì)被不斷抽取出來(lái)，各種儀器實(shí)時(shí)分析里面的各種化學(xué)組分有沒(méi)有發(fā)生變化。
太陽(yáng)光下，污染物會(huì)發(fā)生什么變化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。在霧霾愈演愈重的中國(guó)，二次顆粒物起到非常重要的作用。賀泓在3月1日中國(guó)科學(xué)院學(xué)部主辦的“大氣灰霾追因與控制”科學(xué)與技術(shù)前沿論壇上介紹：“構(gòu)成霧霾的物質(zhì)包括污染源排放的一次顆粒物和氣態(tài)污染物，這二者又會(huì)在大氣物理化學(xué)的過(guò)程中變成二次顆粒物。一次顆粒物和二次顆粒物混合的細(xì)粒子持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致消光現(xiàn)象致霾。”
那么二次顆粒物從哪里來(lái)？“大氣中揮發(fā)性有機(jī)污染物可以在氧化過(guò)程中被氧化成二次有機(jī)顆粒物，還有一些無(wú)機(jī)的成分，比如氮氧化物變成硝酸鹽、二氧化硫變成硫酸鹽、氨變成銨鹽等等。”賀泓說(shuō)。這些二次生成的細(xì)顆粒物對(duì)PM2.5的貢獻(xiàn)有多少？賀泓認(rèn)為，據(jù)綠色和平組織的報(bào)告，2010年的二次生成的顆粒物在PM2.5中的比例，北京是60%，天津是53%，河北是59%。截至目前，科學(xué)家仍不太清楚某些二次顆粒物是如何形成的。“二次顆粒物的形成將是今后一個(gè)階段研究的重點(diǎn)。我們要加強(qiáng)大氣新顆粒物成核機(jī)制，二次顆粒物形成、增長(zhǎng)和老化機(jī)制的研究，特別是霾形成機(jī)制中的關(guān)鍵過(guò)程。”他說(shuō)。
現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的大氣是個(gè)不斷運(yùn)動(dòng)的開(kāi)放體系，自然條件變化多端，污染物種類(lèi)繁多，濃度不一，而且隨時(shí)間空間變化。因此要想在實(shí)際大氣中進(jìn)行研究是十分困難的，當(dāng)前研究大氣污染基本有兩種方式，一種是直接對(duì)現(xiàn)實(shí)中的大氣污染進(jìn)行研究，如2008年奧運(yùn)會(huì)期間，因?yàn)闇p排措施而導(dǎo)致污染物驟然下降的這個(gè)過(guò)程，成為全球大氣物理科學(xué)家重點(diǎn)研究的“天然實(shí)驗(yàn)室”。另一種方式則是在封閉的空間進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，即煙霧箱內(nèi)通過(guò)注入不同的污染氣體，研究其在日照作用下的各種化學(xué)反應(yīng)，針對(duì)二次顆粒物的這些研究則離不開(kāi)煙霧箱。
楚必武介紹，煙霧箱分室內(nèi)和室外兩種，室外煙霧箱的優(yōu)點(diǎn)是可以直接利用陽(yáng)光作為光源，缺點(diǎn)是某些條件，比如溫度、光強(qiáng)等無(wú)法準(zhǔn)確控制，無(wú)法保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性。室內(nèi)煙霧箱可以克服室外煙霧箱的缺點(diǎn)，但只能以紫外燈或者氙燈作為光源，引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)可能與真實(shí)大氣并不相同。
不管是室內(nèi)煙霧箱還是室外煙霧箱，都有無(wú)法避免的缺點(diǎn)。煙霧箱無(wú)論多么大，它總有一個(gè)邊界，煙霧箱的壁面可能吸收、吸附或者釋放化學(xué)物質(zhì)，有些反應(yīng)也可能發(fā)生在壁面上，這被稱(chēng)之為“壁效應(yīng)”。比如這個(gè)3立方米的箱子，污染物才傳輸出去一點(diǎn)點(diǎn)，就碰上了箱子的邊界。而城市哪來(lái)的邊界呢？“所以對(duì)于研究大氣化學(xué)反應(yīng)的煙霧箱來(lái)說(shuō)，反應(yīng)器的體積越大越好，體積越大的煙霧箱，表面積和體積之比越小，壁效應(yīng)就越小，降低氣態(tài)物質(zhì)和顆粒物質(zhì)在反應(yīng)器壁上的沉積越小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就越準(zhǔn)確。”清華大學(xué)的煙霧箱是一個(gè)小型的煙霧箱，雖然這樣一個(gè)幾立方米的反應(yīng)容器可以用來(lái)當(dāng)成煙霧箱，但是針對(duì)大氣化學(xué)的研究，尤其是牽涉到氣溶膠形成的研究，自然是體積大的更好。
近年來(lái)建設(shè)的煙霧箱體積在不斷增加，比如德國(guó)地質(zhì)化學(xué)和動(dòng)力研究所370立方米的煙霧箱、歐洲光化學(xué)實(shí)驗(yàn)室204立方米平行雙環(huán)境煙霧箱(EUPHORE)、美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)300立方米煙霧箱等等。作為室外環(huán)境煙霧箱的典型代表，歐洲光化學(xué)煙霧箱位于西班牙巴倫西亞，是兩個(gè)大小相同的煙霧箱，便于進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。它看起來(lái)是兩個(gè)透明的半球，每個(gè)直徑9.2米，體積204立方米，建立在室外，通過(guò)自然光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
賀泓研究小組目前剛剛建成一個(gè)30立方米的煙霧箱，他設(shè)想建造的造價(jià)5億元的煙霧箱實(shí)際上不止一個(gè)煙霧箱，由室內(nèi)、室外多個(gè)煙霧箱組成，還包括一個(gè)引入真實(shí)空氣進(jìn)行研究的超級(jí)觀測(cè)站。
通過(guò)煙霧箱研究他們已經(jīng)有了一些研究結(jié)論。賀泓舉了個(gè)例子，氮氧化物和二氧化硫是最大的氣態(tài)污染物，單獨(dú)的二氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸鹽是一個(gè)很慢的過(guò)程，比如大氣中的礦塵大部分轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽就停止反應(yīng)了，但是他們發(fā)現(xiàn)如果氮氧化物和二氧化硫同時(shí)存在，過(guò)程就不一樣了，氮氧化物會(huì)促進(jìn)二氧化硫向硫酸鹽轉(zhuǎn)化。于是他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在密閉的空間中，沒(méi)有氧氣，以氮?dú)鉃楸尘埃趸蚝投趸⒉荒苻D(zhuǎn)化成硫酸鹽，而在模擬的空氣中二氧化硫可以迅速轉(zhuǎn)化成硫酸鹽。“這就提示我們終極氧化劑是氧氣，礦塵和氮氧化物起到催化劑的作用。”
“倫敦?zé)熿F事件時(shí)二氧化硫濃度達(dá)到毫克級(jí)，北京目前是微克級(jí)；洛杉磯煙霧事件臭氧濃度遠(yuǎn)超我們現(xiàn)在的臭氧污染濃度。但是為什么我們的霧霾更頻發(fā)，更難治理呢？”賀泓說(shuō)道，“我國(guó)的大氣污染屬于復(fù)雜的復(fù)合污染，把發(fā)達(dá)國(guó)家不同發(fā)展階段的污染特性集中到同一個(gè)時(shí)期，在這種情況下，氧化性增強(qiáng)，霧霾頻發(fā)，更加難以治理。”
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