被雾霾笼罩的北京城区（摄于2013年1月30日）

　　5亿元的烟雾箱

　　清华大学西门附近一间不起眼的实验室中有个类似大冷柜的装置，就是前阵子人们议论纷纷的“烟雾箱”。这是一个小型的烟雾箱，只有3立方米，而大型烟雾箱则高达数百立方米。

　　3月初，媒体传来“中国计划在北京怀柔建设世界最大的‘烟雾箱’，初步预算5亿元”的消息。“烟雾箱”计划听起来是个快速跟踪浓重雾霾的好方法，很快引起了大家关注。该项目的筹备负责人、中科院生态环境研究中心研究员贺泓则表示，中科院的确已就此项目计划制订了方案并上报发改委，但截至目前尚未收到项目得到批准的消息。

　　3月9日，在全国人大新闻中心举行的环保主题记者会上，环保部副部长吴晓青回应了此问题，表示环保部支持有关部门建设大型的“烟雾箱”模拟实验室。但贺泓已然被各种传言弄得焦头烂额，不愿再多谈这个问题。“一切以中科院的说法为准。”他说。

　　烟雾箱究竟是一个什么样的东西，能对改善大气污染做哪些贡献？楚必武以前在清华大学环境学院李俊华教授的实验室读博士，从2008年起开始用烟雾箱做研究，毕业后在贺泓的研究小组工作，他对清华大学这个小型的烟雾箱了如指掌。

　　“这个冷柜一样的外壳就是一个空调室，能够保持温度恒定。”楚必武给本刊记者打开烟雾箱的柜门，里面是一个很大的立方形透明塑料袋，塑料袋由特氟龙薄膜制成，容积为3立方米，上下左右包围着40盏灯。“特氟龙薄膜几乎不参与化学反应，而且对太阳光中紫外线部分几乎无阻挡作用，使得烟雾箱中的气体能接受到真实太阳光紫外线的照射而发生光化学反应。”楚必武说。

　　特氟龙塑料袋里，根据实验要求加入不同比例的各种气体，比如汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物和氮氧化合物。调整好温度、湿度等条件后，打开紫外灯，模拟白天这些污染物在阳光照射下的反应。8小时的反应过程中，塑料袋中的气体会被不断抽取出来，各种仪器实时分析里面的各种化学组分有没有发生变化。

　　太阳光下，污染物会发生什么变化是一个非常复杂的过程。在雾霾愈演愈重的中国，二次颗粒物起到非常重要的作用。贺泓在3月1日中国科学院学部主办的“大气灰霾追因与控制”科学与技术前沿论坛上介绍：“构成雾霾的物质包括污染源排放的一次颗粒物和气态污染物，这二者又会在大气物理化学的过程中变成二次颗粒物。一次颗粒物和二次颗粒物混合的细粒子持续增长，导致消光现象致霾。”

　　那么二次颗粒物从哪里来？“大气中挥发性有机污染物可以在氧化过程中被氧化成二次有机颗粒物，还有一些无机的成分，比如氮氧化物变成硝酸盐、二氧化硫变成硫酸盐、氨变成铵盐等等。”贺泓说。这些二次生成的细颗粒物对PM2.5的贡献有多少？贺泓认为，据绿色和平组织的报告，2010年的二次生成的颗粒物在PM2.5中的比例，北京是60%，天津是53%，河北是59%。截至目前，科学家仍不太清楚某些二次颗粒物是如何形成的。“二次颗粒物的形成将是今后一个阶段研究的重点。我们要加强大气新颗粒物成核机制，二次颗粒物形成、增长和老化机制的研究，特别是霾形成机制中的关键过程。”他说。

　　现实环境中的大气是个不断运动的开放体系，自然条件变化多端，污染物种类繁多，浓度不一，而且随时间空间变化。因此要想在实际大气中进行研究是十分困难的，当前研究大气污染基本有两种方式，一种是直接对现实中的大气污染进行研究，如2008年奥运会期间，因为减排措施而导致污染物骤然下降的这个过程，成为全球大气物理科学家重点研究的“天然实验室”。另一种方式则是在封闭的空间进行模拟实验，即烟雾箱内通过注入不同的污染气体，研究其在日照作用下的各种化学反应，针对二次颗粒物的这些研究则离不开烟雾箱。

　　楚必武介绍，烟雾箱分室内和室外两种，室外烟雾箱的优点是可以直接利用阳光作为光源，缺点是某些条件，比如温度、光强等无法准确控制，无法保证实验的重复性。室内烟雾箱可以克服室外烟雾箱的缺点，但只能以紫外灯或者氙灯作为光源，引发的光化学反应可能与真实大气并不相同。

　　不管是室内烟雾箱还是室外烟雾箱，都有无法避免的缺点。烟雾箱无论多么大，它总有一个边界，烟雾箱的壁面可能吸收、吸附或者释放化学物质，有些反应也可能发生在壁面上，这被称之为“壁效应”。比如这个3立方米的箱子，污染物才传输出去一点点，就碰上了箱子的边界。而城市哪来的边界呢？“所以对于研究大气化学反应的烟雾箱来说，反应器的体积越大越好，体积越大的烟雾箱，表面积和体积之比越小，壁效应就越小，降低气态物质和颗粒物质在反应器壁上的沉积越小，实验结果就越准确。”清华大学的烟雾箱是一个小型的烟雾箱，虽然这样一个几立方米的反应容器可以用来当成烟雾箱，但是针对大气化学的研究，尤其是牵涉到气溶胶形成的研究，自然是体积大的更好。

　　近年来建设的烟雾箱体积在不断增加，比如德国地质化学和动力研究所370立方米的烟雾箱、欧洲光化学实验室204立方米平行双环境烟雾箱(EUPHORE)、美国北卡罗来纳州立大学300立方米烟雾箱等等。作为室外环境烟雾箱的典型代表，欧洲光化学烟雾箱位于西班牙巴伦西亚，是两个大小相同的烟雾箱，便于进行对照实验。它看起来是两个透明的半球，每个直径9.2米，体积204立方米，建立在室外，通过自然光进行实验。

　　贺泓研究小组目前刚刚建成一个30立方米的烟雾箱，他设想建造的造价5亿元的烟雾箱实际上不止一个烟雾箱，由室内、室外多个烟雾箱组成，还包括一个引入真实空气进行研究的超级观测站。

　　通过烟雾箱研究他们已经有了一些研究结论。贺泓举了个例子，氮氧化物和二氧化硫是最大的气态污染物，单独的二氧化硫转化成硫酸盐是一个很慢的过程，比如大气中的矿尘大部分转化为亚硫酸盐就停止反应了，但是他们发现如果氮氧化物和二氧化硫同时存在，过程就不一样了，氮氧化物会促进二氧化硫向硫酸盐转化。于是他做了一个实验，在密闭的空间中，没有氧气，以氮气为背景，二氧化硫和二氧化氮并不能转化成硫酸盐，而在模拟的空气中二氧化硫可以迅速转化成硫酸盐。“这就提示我们终极氧化剂是氧气，矿尘和氮氧化物起到催化剂的作用。”

　　“伦敦烟雾事件时二氧化硫浓度达到毫克级，北京目前是微克级；洛杉矶烟雾事件臭氧浓度远超我们现在的臭氧污染浓度。但是为什么我们的雾霾更频发，更难治理呢？”贺泓说道，“我国的大气污染属于复杂的复合污染，把发达国家不同发展阶段的污染特性集中到同一个时期，在这种情况下，氧化性增强，雾霾频发，更加难以治理。”

　　PM2.5溯源

　　清华大学环境学院贺克斌教授说：“大气化学研究有三大方法学，排放清单、外场观测、实验室和数字模拟。”实验室模拟最典型的是烟雾箱，外场观测也必不可缺，这二者研究的数据能帮助他建立大气污染排放清单。

　　贺克斌一直在给大气污染源列清单。“只有知道了污染物有哪些，才能为制定有效的治理措施提供科学依据。但是列这样一个清单太难了，不仅面临着技术性问题，更因为中国有世界上最复杂的排放源。”据他介绍，在美国、欧盟等发达国家，落后产能已经被淘汰，监测具有针对性，但在我国，最先进的工艺与落后工艺同时存在，给监测增添了很多问题。同时，我们国家技术更新的速度很快、土地利用的时空变化也很快，这些因素都导致排放清单无法及时更新。

　　经过十几年的科学研究积累，科学家逐步形成了一些基本认识。第一，代表二次颗粒物的化学成分在PM2.5中所占比例逐年增长；第二，重污染时段二次颗粒物的成分比例非常高。比如去年1月13日前后，极高浓度的PM2.5中二次颗粒物来源超过80%。“我们面临的污染现象是一个典型的复合型的污染。”贺克斌说。

　　过去十几年中排放清单已经支撑了一些短期空气质量改善，比如奥运会、亚运会、世博会等时段。以奥运会为例，2006年中国为奥运会做排放清单，清华大学、北京大学、中国科学院等单位合作，鉴别出北京地区80%的二氧化硫来自山东、河北和天津。“一开始是打算针对华北五省进行治理，最后又纳入山东。”贺克斌说。在2008年奥运会期间，50%左右的大幅度减排，使得奥运会时空气质量达到奥委会要求。

　　“科学界对京津冀地区污染源的认识没有太大争议，普遍认为燃煤、机动车和扬尘是三大污染源。”“大气灰霾追因与控制”专项组之“大气灰霾溯源”外场观测项目组负责人王跃思研究员说，他一直根据外场观测在做污染源解析的工作，“只是不同地区污染源稍有差异，比如北京机动车污染是第一位的，到了河北工业燃煤污染是第一位的。北京大气污染第二位是燃煤，但是不见得完全是北京的燃煤，受周边的影响很大”。

　　“污染源除了具有地区差异，时间上也有差异。天气好的时候，来自燃煤的污染源是第一位的；如果没有风，机动车污染就上升到第一位。重霾污染时段二者的污染成分占70%以上。”根据王跃思提供的数据，北京在2013年1月和2014年2月的雾霾污染事件中，PM2.5在重污染时段的主要来源为机动车、燃煤、工业和扬尘，分别约占42%、28%、13%和12%；而在清洁时段，燃煤占45%，机动车仅占13%。

　　“污染源是变化的，源解析具有不确定性，只能搞准大方向。即便目前是准的，明年可能就不一样了。”

　　“一个强大污染来的时候，我们应该做什么？目前有效的应急措施主要针对燃煤和机动车。我们首先应该减少周边的煤，控制本地机动车数量。但是从长远看，还要做许多其他工作。京津冀鲁燃煤量占了全国的22%，全球的11%；生产的钢铁占了全国的25%，全球的15%。这么大一个燃烧量，我们京津冀鲁的面积才占全球陆地面积的0.3%不到。这么小的面积烧了全球11%的煤，我们不是个烟囱是什么？气象卫星遥感监测显示我们这一块总是红的，你们不用奇怪，它就是一个红的。”(注：红色表示大气污染强度特别严重的区域)

　　“我们觉得高铁和动车快捷方便，它们都烧电，但是电从哪里来？车从哪里来的？修建铁路要先铺设水泥路基、钢铁轨道，车是铁皮做的，都需要燃煤。说来说去，交通问题也回到燃煤，燃煤是个大问题。”

　　“车也不是不能开，但堵车时污染物的排放量是平时的5～10倍；油的质量也不好，去年1月份我们发现大气中有不明含氮化合物，我们用几个月时间在京津冀采了几百个样本，从中发现苯胺类物质。苯胺类物质是什么？是上世纪三四十年代欧洲就已经废弃的东西。”王跃思说。

　　有数字显示，北京的大气灰霾治理相比一年前已有成效。观测数据表明，2014年2月霾污染过程与2013年1月相比，相同气象条件下，PM2.5降低了11%。可以说，北京及周边在本次污染过程采取的应急措施和为空气质量达标所采取的长效环保措施已经显示出效果。但为什么公众直观感觉雾霾依然非常严重，大气能见度没有明显提升？

　　“如此高的污染物浓度，少量增加或减少对感官能见度几乎没有影响。PM2.5和能见度之间的关系存在一个阈值，100微克/立方米的PM2.5能见度就是2公里左右。PM2.5到75微克/立方米能见度5公里，35微克/立方米能见度10公里，10微克/立方米能见度30公里。只有大气PM2.5浓度下降到100微克/立方米以下，才会显示出明显的效果。”

　　“2017年也许我们的污染物能达到70微克/立方米。”王跃思说。中国科学院在全国建立了一个由40个站(点)组成的大气质量联合观测网，来观测中国大气气溶胶的化学成分，覆盖京津冀、珠三角、长三角等重点区域。“目前污染细粒子主要在中国中东部地区，从西到东，从南到北污染越来越严重，在京津冀地区达到一个高值。我们在城市关注细粒子，但是在其他广大地区，粗粒子的影响还是很大的。我们对粗细粒子做了全谱分析，以便支持回答我国2017年之后还要做些什么。”