PM2.5的動(dòng)力學(xué)行為分析及其對(duì)能見度的影響

陳 建

（南通高等師范學(xué)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?？煞譃榻祲m、總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物和細(xì)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(jìn)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(xì)顆粒物.TSP、PM10、PM2.5在粒徑上存在著包含關(guān)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(duì)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(biāo).

雖然自然過程（如道路揚(yáng)塵、火山灰、森林火災(zāi)等）也會(huì)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(dòng)，如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)夏收和秋收季節(jié)我國一些地區(qū)特別是經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)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(jī)物等，他們經(jīng)化學(xué)反應(yīng)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(jī)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(guān)，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(jī)動(dòng)車，NH3主要來源于化肥生產(chǎn)、動(dòng)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(huì)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(jì)南市環(huán)境空氣中PM2.5的首要污染源是機(jī)動(dòng)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(jī)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(shí)它也是人為能見度下降的禍?zhǔn)?，目前已?jīng)成為世界各國研究的重點(diǎn).“PM2.5”已成為2011歲末大眾科普最熱的詞匯.

2 PM2.5的動(dòng)力學(xué)行為分析

PM2.5顆粒細(xì)小，但它在空氣中的停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，影響范圍大，這是由微粒受重力、空氣阻力作用的動(dòng)力學(xué)行為所決定的.

如圖1所示，設(shè)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(shè)空氣對(duì)微粒的阻力與微粒運(yùn)動(dòng)速度的一次方成正比，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律微粒運(yùn)動(dòng)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(duì)上式再積分，并考慮t＝0時(shí)，x＝h，故

可見，微粒的運(yùn)動(dòng)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(guān)：微粒的質(zhì)量m越大重力就越大，微粒下落就會(huì)越快；阻力系數(shù)b越大空氣對(duì)微粒的阻力就越大，微粒下落就會(huì)變慢.當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，微粒的速度大小接近極限速率

有學(xué)者在研究中將微粒視為表面光滑的剛性圓球體，運(yùn)用碰撞理論計(jì)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(shí)間的關(guān)系，得出：在一定溫度下，微粒越小，飄到地面所需的時(shí)間就大，但不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系.［4］當(dāng)然，空氣中微粒的形狀極不規(guī)則，微粒在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)特別是碰撞之后，常常會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，加之氣流的運(yùn)動(dòng)會(huì)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(dāng)微粒的體積很小時(shí)，飄落到地面上所需的時(shí)間將會(huì)很長(zhǎng)”仍成立.由此，導(dǎo)致PM2.5在空氣中停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)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(duì)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(yáng)起的灰塵會(huì)影響到空氣的可見度.自20世紀(jì)70年代以來，大氣顆粒物對(duì)能見度的影響就一直是環(huán)保部門關(guān)注的問題之一.盡管PM2.5肉眼看不見，但它對(duì)陽光消解明顯，會(huì)降低空氣的能見度，使藍(lán)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(yīng)

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(qiáng)弱取決于入射電磁波的波長(zhǎng)及散射質(zhì)點(diǎn)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(xiàn)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(zhǎng)要小得多.瑞利理論指出，散射光強(qiáng)和波長(zhǎng)的四次方成反比在這種情況下，散射主要影響波長(zhǎng)較短的光.我們目睹天空看到的蔚藍(lán)色正是光譜中藍(lán)色附近顏色的混合色.

當(dāng)天氣不好或者有大氣污染的時(shí)候，藍(lán)天不藍(lán)，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(dāng)顆粒物的直徑和可見光的波長(zhǎng)接近的時(shí)候，顆粒對(duì)光的散射消光能力最強(qiáng).可見光的波長(zhǎng)在0.4－0.7μm之間，而粒徑在這個(gè)尺寸附近的顆粒物正是PM2.5的主要組成部分.理論計(jì)算的數(shù)據(jù)也清楚地表明這一點(diǎn)：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(jī)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(xué)者都認(rèn)為細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度是導(dǎo)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(duì)濕度的增加能見度會(huì)逐漸降低，特別是相對(duì)濕度大于80%時(shí)，能見度隨著濕度的增加快速下降.因?yàn)镻M2.5中有不少可溶性粒子，如硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽以及有機(jī)酸鹽等，這些粒子的吸水性很強(qiáng)，隨著相對(duì)濕度的增加，顆粒物的粒徑、折射率發(fā)生改變，對(duì)光的散射增強(qiáng).

3.2 光的吸收效應(yīng)

除了真空，沒有一種介質(zhì)對(duì)電磁波是絕對(duì)透明的.光的強(qiáng)度隨穿進(jìn)介質(zhì)的深度而減少的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)對(duì)光的吸收.大氣中顆粒物對(duì)光的吸收效應(yīng)構(gòu)成能見度下降的另一重要原因.

強(qiáng)度為I0的光束進(jìn)入均勻物質(zhì)中一段距離l光強(qiáng)滿足朗伯定律：I＝I0e－αl（α為吸收系數(shù)）.研究表明，PM2.5對(duì)光的吸收效應(yīng)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(yīng)實(shí)際上比細(xì)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(dǎo)致光強(qiáng)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(huì)降低空氣的能見度，使藍(lán)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(jié)、能見度低于1km時(shí)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(jié)果.

小粒子，大問題.相信隨著人們對(duì)PM2.5危害性的認(rèn)識(shí)，國家嚴(yán)格的控制法規(guī)的出臺(tái)，如《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中將PM2.5納入常規(guī)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)，加之國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)開始對(duì)PM2.5脫除從機(jī)理和運(yùn)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(xué)特征及其生物活性研究.環(huán)境科學(xué)，2007（3）.

2 溫新欣等.濟(jì)南市PM2.5來源的解析.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（7）.

3 周衍柏.理論力學(xué)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(jì)算及動(dòng)力學(xué)行為分析.桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（5）.