PM2.5中新粒子怎样形成?关键在这两个分子

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2019-03-30

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原标题:中新粒子怎样形成?关键在这两个分子茫茫人海,两个人相遇是缘分;从133倍于地球人口数的气体分子中,找出最关键的2个分子——一个气体硫酸分子和一个二甲胺分子,使之碰到一起,那就可能发生大气新粒子形成事件了。

历经7年努力,复旦大学科研人员首次发现并证实了我国典型城市大气中的硫酸-二甲胺-水三元成核现象,揭示了上海“大气新粒子”形成的化学机制,为我国大气颗粒物污染防治政策的制定提供了新的科学证据。

日前,这一成果发表于《科学》。 一个未解之谜城市大气污染物中的纳米微细粒子,是怎样从无数空气分子中的关键分子形成的?污染城市大气新粒子形成事件的化学与物理机制,一直是个未解之谜。

这个形成过程中,从小于1纳米的气态前体物分子到1-2纳米左右的分子团簇再到几个纳米的纳米微细粒子,质量和粒径都十分微小,可谓“看不见,摸不着”,这给科研人员的测量提出了极大的挑战。 针对这一难题,复旦大学环境科学与工程系王琳团队,2014年在上海开展了两年的连续大气观测。

他们和芬兰赫尔辛基大学的科学家一起,用了一年半的时间,完成了对收集来的海量数据的系统整理和深入分析。 他们测得了上海城市大气中1—700纳米区间大气颗粒物的粒径分布浓度,获得了大气新粒子的形成速率和成长速率等,也获得了大气新粒子形成事件期间大气中性和带电分子团簇的化学组分。

通过研究,他们发现,大气新粒子的形成过程中,一个气体硫酸分子和一个二甲胺分子随机碰撞,通过氢键形成稳定的分子簇,分子簇通过与其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺团簇的碰撞继续生长,达到一定尺寸后,其他物种(例如极低挥发性有机化合物)开始加入这个过程,并最终形成大气新粒子。 二次形成过程一般认为,工厂和汽车的尾气排放是造成颗粒物污染的主要原因之一,这是由人类活动或者自然活动所带来的大气颗粒物直接排放,王琳这样的科研人员将其称之为“一次排放”。 除了“一次排放”,空气中还时常发生着颗粒物的“二次形成”。 “二次形成”过程更为复杂。

王琳告诉科技日报记者,该过程大致分为两种:第一种过程指空气中的挥发性气体可通过化学反应生成饱和蒸气压较低的反应产物,这类物质会凝降在已有颗粒物的表面上,增加颗粒物的质量浓度;而另一种过程则会大幅增加颗粒物的数量浓度,大气中部分气体分子随机碰撞,通过分子间作用力或化学键而生成分子团簇,分子团簇的进一步生长则形成了纳米微细粒子,也就是大气新粒子,期间发生从气体到凝聚态的相变;这些纳米微细粒子的继续生长,则可以造成大气污染。 “‘二次形成’让大气中的颗粒物变得更‘重’、更‘多’,我们课题组目前主要关注变‘多’的过程,研究城市空气中的大气新粒子是怎么形成的。 ”王琳说。

王琳认为,在中国典型的城市环境中,除了加强对污染物一次排放的监测和管理,对“二次形成”也应予以同样程度的重视。

因为此项研究中提出的化学机制,参与大气新粒子形成过程中的关键化学物种将得到更有针对性的控制,这样,便可以有望有效降低空气中颗粒物的数量浓度,减轻我国的大气颗粒物污染。

甚至,从更大的维度来看,将这一机制运用于全球气候模式中,能够更好地模拟全球大气颗粒物乃至云凝结核的数目,更好地理解整个地球的气候变化趋势。

谈及项目之后的发展,王琳说:“我们的研究还有很多值得进一步探索的地方,这个项目之后还会继续。 ”他希望,该研究成果能进一步明确我国城市大气新粒子形成事件中的主控因素,理解城市大气新粒子形成事件与雾霾形成的关系。 (王春)(责编:施麟、贺迎春)。