水蒸氣看似清潔無害，可能也是霧霾的幫兇之一?

中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所領(lǐng)銜的團(tuán)隊通過現(xiàn)場觀測、同位素分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，部分燃燒產(chǎn)生的水蒸氣增加了相對濕度，導(dǎo)致氣溶膠中PM2.5積聚。

在空氣重污染期間，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5，相當(dāng)于當(dāng)?shù)厝斯ぴ碢M2.5的5.1%，最高則可能貢獻(xiàn)18.2%。

水蒸氣與霧霾

科學(xué)家們早已發(fā)現(xiàn)，水蒸氣與霧霾有著緊密的關(guān)聯(lián)。所謂PM2.5，指的是環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 2.5 微米的細(xì)顆粒物，直徑還不到頭發(fā)絲粗細(xì)的1/20。

這些PM2.5是怎么來的呢?它們有些是直接排放出來的一次粒子，還有些是由二氧化硫、氮氧化物等氣體污染物通過大氣化學(xué)反應(yīng)而生成的二次粒子。

而大氣相對濕度的提高會提高二氧化硫和氮氧化物的非均相氧化速率，從而促進(jìn)二次氣溶膠的形成，惡化空氣質(zhì)量。因此，特別是在空氣擴(kuò)散條件不好的情況下，大量原本清潔的水蒸氣聚集在低空，可能會成為霧霾的幫兇。

大氣最低層中的水蒸氣主要來自海洋的輸送，由化石燃料或生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在全球大氣水收支中可以忽略不計。

然而，2015年美國學(xué)者的一項研究針對位于封閉盆地內(nèi)的猶他州鹽湖城，發(fā)現(xiàn)在特定日子里大氣最低層中高達(dá)13%的水蒸氣來自于燃燒產(chǎn)生水。這些水分到底是空氣污染的因還是果，亟待明確。

追蹤氫氧同位素

要明確燃燒產(chǎn)生水對空氣的影響，首先要解答的問題是，空氣中到底有多少水是由燃燒產(chǎn)生的?

此時，同位素分析工具就可以排上用場。具有相同質(zhì)子數(shù)，不同中子數(shù)的同一元素的不同核素互為同位素。例如，所有氫原子都由1個質(zhì)子構(gòu)成，但又可細(xì)分為氕(P)氘(D)氚(T)三種同位素，分別含有0、1、2個中子。

我們都知道，水是由氫和氧兩種元素組成的，特定區(qū)域使用的特定能源會導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生水中氫同位素和氧同位素比例呈現(xiàn)出一組特征，從而可用于溯源。

為此，中科院的這個研究團(tuán)隊在三個冬季內(nèi)(雨天除外)連續(xù)測量某地近地表水蒸氣穩(wěn)定氫同位素δD、氧同位素δ18O成分?jǐn)?shù)據(jù)，時間分辨率達(dá)到小時級別。

接著，研究人員實(shí)驗(yàn)測定了煤、天然氣、汽油等化石燃料的端元δD和δ18O，通過當(dāng)?shù)氐哪茉辞鍐斡嬎愠隽巳紵a(chǎn)生水的加權(quán)端元同位素組成。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，燃燒產(chǎn)生水平均占到大氣濕度的6.2%，最高貢獻(xiàn)達(dá)到16.2%。在PM2.5上升期間，其份額與PM2.5和相對濕度呈現(xiàn)出正相關(guān)。

最后，研究團(tuán)隊利用WRF-Chem模型模擬了2015年12月27日至2016年1月15日的19天重霾事件，以檢驗(yàn)SO2、NO2和燃燒產(chǎn)生水對PM2.5形成的影響。

模型表明，在當(dāng)?shù)乜諝庵匚廴酒陂g，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣平均增加了每立方米4.6 微克的PM2.5，相當(dāng)于當(dāng)?shù)厝斯ぴ碢M2.5的5.1%，最高則可能貢獻(xiàn)18.2%。

“煤改氣”是減少污染物排放、改善空氣質(zhì)量的重要能源政策之一，然而，在產(chǎn)生相同能量時，天然氣燃燒產(chǎn)生的水蒸氣比燃煤多3倍。該研究團(tuán)隊認(rèn)為，需要進(jìn)一步謹(jǐn)慎評估能源結(jié)構(gòu)對空氣污染的影響。