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中科院新研究的同位素分析:燃烧产生的水蒸气与雾霾的相互作用

时间:2020-12-29 20:08:18


水蒸气似乎是干净无害的,也可能是雾霾的帮凶之一?

通过野外观测、同位素分析和数值模拟,由中国科学院地球环境研究所领导的小组发现,部分燃烧产生的水汽增加了相对湿度,并导致PM2.5在气溶胶中积累。

在空气污染严重的时期,燃烧产生的水汽平均每立方米增加4.6微克PM2.5,相当于当地工业来源PM2.5的5.1%,最大贡献为18.2%。

水汽与雾霾

科学家们早就发现,水汽与雾霾有着密切的联系。所谓的PM2.5,是指周围空气中等效直径小于2.5微米、头发厚度不到1≤的细颗粒。

这些PM2.5是如何到达这里的?其中一些是直接排放的初级粒子,另一些是由二氧化硫和氮氧化物等气体污染物在大气中化学反应形成的二次粒子。

然而,大气相对湿度的增加会增加二氧化硫和氮氧化物的非均相氧化速率,从而促进二次气溶胶的形成和空气质量的恶化。因此,特别是在空气扩散条件差的情况下,大量原本清洁的水蒸气在低空积聚,这可能成为混浊的帮凶。

大气最低层的水汽主要来自海洋,而化石燃料或生物质燃烧产生的水汽在全球大气水分收支中可以忽略不计。

然而,美国学者2015年在犹他州盐湖城的一项封闭盆地的研究发现,一天中最低层大气中多达13%的水汽来自燃烧产生的水。这些水分是空气污染的原因还是结果,需要澄清。

追踪氢氧同位素

要弄清楚空气中有多少水是由燃烧产生的,首先要回答的问题是空气中有多少水是由燃烧产生的。

此时,可以使用同位素分析工具。同一元素、相同质子数和不同中子数的不同核素彼此是同位素。例如,所有氢原子都是由一个质子组成的,但它们可以细分为三种分别含有0、1和2个中子的质子(P)氘(D)氚(T)同位素。

我们都知道水是由氢和氧组成的,在某一地区使用的比能量将导致燃烧产生的水中氢同位素和氧同位素比例的一系列特征,可用于追踪来源。

为此,中科院小组连续测量了三个冬季(雨天除外)水汽稳定氢同位素δd和氧同位素δ18o的数据,时间分辨率已达到小时水平。

然后,通过实验测定了煤、天然气、汽油等化石燃料的终元素δd和δ18o,并根据局部能表计算了燃烧产生的水的加权终元素同位素组成。

结果表明,燃烧生产水平占大气湿度的6.2%,贡献率最高为16.2%。在PM2.5上升过程中,其所占比例与PM2.5和相对湿度呈正相关。

最后,研究小组使用wrf-chem模型模拟了2015年12月27日至2016年1月15日19天的浓雾事件,以测试SO2、NO2和燃烧水对PM2.5形成的影响。

该模型显示,在当地空气污染期间,燃烧产生的水汽平均每立方米增加4.6微克PM2.5,相当于当地工业来源PM2.5的5.1%,最大贡献率为18.2%。

煤到气是减少污染物排放和改善空气质量的重要能源政策之一。然而,当产生同样的能源时,天然气燃烧产生的水蒸气是煤燃烧的三倍。研究小组认为,有必要进一步仔细评估能源结构对空气污染的影响。

(本文来源于the纸质.cn。欲了解更多原始信息,请下载the纸质.cnapp)。

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