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雾天?迷雾中的空气污染
#环境
1952年12月5日至9日,浓雾一直笼罩着伦敦。一场持续4天的大雾对于雾都伦敦来说并不罕见,然而4000居民的丧生却让这场雾写入了环境科学的教科书,这就是著名的伦敦烟雾事件。大雾过后,伦敦居民的死亡率仍然高于正常水平,这一情况一直延续到次年的3月。找出导致这场悲剧的原因并不困难。当时的伦敦由于大量烧煤空气污染严重,已经设置了12个空气污染监测点,每天测定空气中煤烟和二氧化硫的浓度。在大雾的那4天,这两种污染物的浓度比平时高出了4-5倍。 /gkimage/gh/5l/a7/gh5la7.png 【在上个世纪,发达国家曾上演多起严重的大气污染公害事件,包括1930年的比利时马斯河谷烟雾事件、1943年的洛杉矶光化学烟雾事件、1948年的美国多诺拉烟雾事件、1952年的伦敦烟雾事件,均是由于工业排放以及汽车尾气造成。图片来自f1online】

雾天空气差,逆温在作怪

现今,雾天的空气质量不好似乎已经成了人们的生活常识。那么雾跟空气污染之间究竟是什么关系,谁是因谁是果呢? 在一般情况下,气温随着高度的上升而下降。热胀冷缩使空气上层重下层轻。在重力的作用下,头重脚轻的空气很容易发生垂直方向上的对流。地面附近的污染物就可以随着对流的空气扩散到高处而被极大地稀释。然而,有时由于各种气象原因,气温随高度降低的趋势被逆转过来,变得下层冷上层热,这种现象就被称为逆温。逆温的空气头轻脚重,结构非常稳定,垂直方向上难以发生空气对流,污染物因而难以往上扩散。在城市里,汽车行驶、工业生产、建筑施工等活动不断地往空气中排放各种污染物,而逆温阻碍了污染物的扩散稀释,使它们在地面附近累积。如果这时恰好风又很小,污染物在水平方向上也扩散不开,空气质量就会变得更加糟糕。 可是这跟我们要讨论的雾有什么关系呢?雾的种类有很多,但生成的基本原理都一样:地面附近的低温使水蒸汽在颗粒物(即凝结核)表面凝结,形成细小的水滴(或冰晶)漂浮在空气中。低温、水汽、颗粒物是雾形成的三要素,而这三要素逆温恰恰能一并提供。逆温时,地面气温相对低,伴随的稳定空气结构也有利于水蒸汽和颗粒物的累积。于是,强逆温的天气常有大雾发生,而逆温又会导致空气污染加重,结果就是雾和糟糕的空气结伴同行。 /gkimage/pt/hl/n1/pthln1.png 【图中骑自行车的人距视野约200米远,身影已变模糊,此时雾中能见度约为400米。目前,雾的定义条件之一是,能见度低于1千米。国内根据雾天500、200、50米的能见度,分别有大雾黄色、橙色和红色预警。图片来自wiki】

雾和污染物,相互纠缠

结伴同行的污染物和雾可不是相安无事,两者之间有着复杂的相互作用。一些气体污染物,如二氧化氮、二氧化硫、氨气、部分挥发性有机物是水溶性的,能够溶入雾滴。于是,这几种气体污染物的浓度在雾天可能会比平时还低。然而雾滴对于它们的吸收能力有限,如果排放量很大,加之雾天不利扩散的天气条件,这些气体的污染仍然可能很严重。相反地,一氧化碳不溶于水,它的浓度在雾天比较高就是意料之中的了。另一种重要的气体污染物臭氧的生成有赖于阳光照射。由于阳光被雾层遮挡,臭氧的浓度也可能会在雾天下降。 其实,雾在形成过程中就已经对污染物产生影响:颗粒污染物作为雾的凝结核,成了雾滴的一部分。粒径较大的雾滴可以很快地沉降到地面,从而起到清扫空气中颗粒物的作用。而粒径较小的雾滴则会长时间地停留在空气中,起不到清扫的作用。遗憾的是,在受污染的空气中雾滴数量变得更多,粒径更小,这些都不利于污染物的沉降清除。雾也会促使新的颗粒污染物的产生。一个个雾滴就像是一个个微型的反应器,污染物在里面发生着复杂的化学反应,其中最重要的一个当属二氧化硫被催化氧化成一种危害更大的颗粒污染物——硫酸盐。硫酸盐颗粒对光线有很强的散射能力,是灰霾天气的罪魁祸首之一。在雾消散时,雾滴的水分被蒸发,而其中的硫酸盐颗粒则被留在空气中,仍然会长时间地停留,继续降低空气的能见度。 雾本身是一种自然的天气现象,即使没有人为污染,雾照样会发生。但是这不意味着雾的发生频率和污染没有任何关系。颗粒污染物,尤其是吸湿性的颗粒物为雾的形成提供了丰富的凝结核,有利于雾的发生。相反地,人类活动使城市气温升高,湿度降低,又会抑制雾的生成。虽然如此,雾的发生频率更多地还是取决于地理、气候等自然因素。在城市里,另一种和雾一样会降低能见度的天气,霾,越来越频繁,则主要是人类排放的颗粒污染物所致。 雾水的成分取决于空气中有什么样的物质,空气受了污染,雾自然不会干净。例如,二氧化硫的污染会导致酸雾,雾水的pH值可降低到2以下。不但影响人们的健康,还会导致建筑物损坏,树木枯死。在很多城市的雾水里,还可以检测到浓度不低的重金属、多环芳烃等污染物。但是如果空气没受污染,雾还能成为一种可以利用的水资源。在一些缺水地区,不仅仅动物会利用雾天取水,人们也会采用特制的大比表面积的设备收集雾水,以供饮用、灌溉等用途。 【生活在Namib沙漠的Stenocara甲虫在有雾的清晨爬上沙丘的顶端,翘起尾部迎风而立,雾水在甲壳上聚成大的水滴,流到甲虫口中,甲虫就美美喝上一口。】
总的来说,雾滴可以捕集、吸收空气中的污染物,加速它们的沉降、清除;但雾滴也会为生成新的污染物的提供反应场所,造成新的风险。作为一种自然的天气现象,雾本身既不是空气污染的原因,也不是空气污染的结果。不过,雾天的气象条件不利于污染物的扩散,使城市的空气质量不好,的确是不争的事实。

参考资料:

[1] Wilkins ET. 1954. Air pollution aspects of the London fog of December 1952. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 80: 267-271.
[2] Lillis D, Cruz CN, Collett Jr. J, Richards LW, Pandis SN. 1999. Production and removal of aerosol in a polluted fog layer: model evaluation and fog effect on PM. Atmospheric Environment 33: 4797-4816.
[3] Niu S, Lu C, Yu H, Zhao L, Lü G. 2010. Fog research in China: An overview. Advances in Atmospheric Sciences 27: 639-662.
[4] Marzol Jaén MV. 2002. Fog water collection in a rural park in the Canary Islands (Spain). Atmospheric Research 64: 239-250.