在天台小屋破解上海PM 2.5成因

图东方IC

复旦大学第四教学楼的楼顶，有一盏“长明灯”：这是一间只有十几平方米的天台小屋，狭窄的空间里堆满了各种仪器，一根根采样管透过气窗伸到户外。这是一个24小时运转的空气监测站——由复旦环境科学与工程系领衔的上海市大气颗粒物污染防治重点实验室。

找出空气污染物源头

雾霾、PM2.5，无疑都是近年来最显眼的网络热词。如何化解雾霾？关键是实时捕捉到大气中气体和颗粒物的成分及变化，找出空气中污染物的源头和形成机制。2013年，复旦环境科学与工程系教授王琳率领的一支团队进驻这间小屋，监测站开始日夜不停地运作，每天，不管是天黑还是黎明，这里都在实时采集大气样本，随后在电脑上实时展示着观测数据的变化。那些跳动的数字看起来毫无意义，但通过后期软件处理后就能揭示隐藏在大气中的“秘密”。

一晃4年，谁也不曾想到，小小的屋顶平台竟然“飞”出重大成果：2018年7月20日，王琳团队在国际顶级学术期刊《科学》发表论文《中国典型超大城市的硫酸—二甲胺大气新粒子形成事件》，首次发现并证实了我国典型城市上海大气中的硫酸—二甲胺—水三元成核现象，指出在上海城市大气中，气体硫酸分子、二甲胺分子和水分子三者是形成大气新粒子的主要来源，揭示了上海大气污染纳米微细粒子形成，也就是所谓大气新粒子形成的化学机制，这也许会成为未来破解上海城市空气污染的关键点。

在此之前，污染城市大气中的大气新粒子形成事件的化学与物理机制一直是一个未解之谜。人们一直对大气纳米微细颗粒的来源存在争议。对于自己团队的发现，王琳给出了一个比喻：“这相当于我们从133倍于地球人口数的气体分子中找出了最关键的那2个，一个是硫酸分子，另一个是二甲胺分子，它们碰到一起，就可能发生大气新粒子形成事件了。”

关注颗粒物“二次形成”

大气PM2.5污染是关系国计民生的重要议题。在大众观念中，工厂和汽车的尾气排放是造成PM2.5颗粒物污染的主要原因之一，然而未必，“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，我们的‘术语’称之为‘一次排放’。”王琳介绍说，除了“一次排放”，在空气当中，时常发生着的，还有颗粒物的“二次形成”。

相较于“一次排放”，“二次形成”过程较为复杂。其形成过程大致分为两种：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，这类物种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，则可能造成大气PM2.5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。

显然，王琳的研究是针对破解PM2.5的要害。于是，在复旦第四教学楼楼顶平台上，人们看到了整晚整晚不灭的灯光——功夫不负有心人，王琳团队终于收获累累硕果：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；并测量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。

下一步重点关注臭氧

研究结果表明，在上海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；一定尺寸以后，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。

几天前，第四教学楼平台小屋的大气观测暂停了。王琳告诉记者，环境监测点并没有关闭，而是即将搬到新家——复旦江湾校区环境科学与工程系的楼顶。那里还有一间“小屋”，当然，要比原来那个大许多，条件好许多，上海市大气颗粒物污染防治重点实验室将继续它的使命。王琳透露，团队下一步的工作重点是城市大气环境中的另一个难题：臭氧。与此同时，原来的研究工作也将持续。王琳希望，在现有的硫酸-二甲胺-水三元成核化学机制框架下，能进一步明确我国城市大气新粒子形成事件中的前体物主控因素，理解城市大气新粒子形成事件与雾霾形成的关系，从而助力国家推出更有针对性的污染防控措施。 本报记者 张炯强