空气污染和太阳辐射

章琪/编译

空气污染和太阳辐射

章琪/编译

空气污染并不是静态的。不同的物质相互作用，反应物组合不断改变，相应的化学反应也就持续发生着。克里希纳· L·福斯特（Krishna L. Forster，左图），加州州立大学化学教授，同时也是美国自然科学协会（Sigma Xi）的荣誉讲师，正在研究太阳辐射对于微粒复合反应造成的影响，一个经典的例子就是汽车尾气中包含的小颗粒。《美国科学家》主编法尼拉·桑德斯（Fenella Saunders）最近对她进行了专访。

问：您正在研究空气中的微粒，可以为它们下一个确切的定义吗？

答：空气微粒主要是指那些在大气层中广泛分布，但并非气体分子的物质。它们以固态或液态的形式存在，因此而生的独特性质也让人们将它们从大气一般成分中独立出来。它们悬浮在空中，视颗粒大小而定，有时持续存在几天甚至几个星期。

灰尘是这类颗粒物中体积比较大的一个分支，它们的直径一般大于10微米，差不多是一根头发丝的宽度。但这一类我们并不需要太过关注，因为它们极少有可能深入人类的呼吸系统。目前研究的重点是直径小于2.5微米的颗粒，因为当人们吸入这些颗粒的时候，它们会顺势进入呼吸系统，从而引发一系列的健康问题。

发生在此类微粒上的损伤过程与那些气相污染物非常类似，但是这一类固体微粒的变化结果——比如大概要多长时间发生化学反应，化学反应的产物为何，这些与气相情况全然不同。这也是我研究大气层中这一类固体微粒的反应的原因，我需要了解它们如何影响“最初污染物随时间发生改变”的这个过程。

问：这些固体微粒是如何形成的？

答：一般情况下通过机械撞击形成的固体小微粒——比如海浪拍打岸边礁石时卷下的小颗粒，直径都在10微米以上。为何我们要把衡量标准设置成2.5微米呢？因为这是化学反应，尤其是燃烧，可能产生的最大颗粒直径。它甚至可能源于一个吸附了固体杂质的气体微粒，或者是一开始就是一个已经存在的小微粒——比如空中悬浮的小水滴，然后不断吸附，溶解各种杂质和可溶化学物质。

问：为何化学燃烧被认为是PM2.5小微粒的特定来源？

答：当我们说到燃烧产生的小微粒，你第一个想到的可能就是烟灰。在19世纪初的伦敦，年轻的烟囱清扫工在年纪渐长时罹患肺癌的比率几乎是一个惊人的数字。当下，汽车尾气中含有相似的致癌物成分。不完全燃烧的烃类化合物的主要成分——无论其源于1800年代的烟囱还是现在的汽车尾气——都是一致的。它们被称为多环芳烃（PAH），意思是一系列紧密相连形成不同结构的苯环的衍生物。苯环是一个可以看作单双键交替的六元环状化合物，呈正六边形。

许多能够在人类生理结构中体现功能的分子都有着相似的结构。因此毒性危害的一种途径便是“迷惑替代”，从外界摄入的有毒有害物质与体内原有的需要在生理活动中行使其功能的化学物质结构相似，机体无法分辨，因此干扰了正常生命活动，造成伤害。

日常生活中与PAH的接触是无法回避的。比如烧烤的时候就一定会存在燃烧不完全的情况，而机体在这方面的自我防护能力还是很强的。但是如果有持续的大量接触，危险就会产生了。因此，享用一块美味的烤玉米对身体来说不算什么大事，但把房子建在一条拥堵的高速公路边上这种事，还是尽可能避免比较好。

问：在这些小微粒间进行的反应中，太阳扮演了一个什么角色？

答：太阳是一种强大的能量来源，当化学反应和物质转换进行的时候，电子的得失是一个非常重要的环节。在绝大部分波长的辐射下，化合物稳定存在，电子的行为并不会受太大影响。但是一旦他们遇见了合适波长的辐射所释放的能量，化合物就会吸收它。电子被这一部分能量激发，发生跃迁。一旦电子发生了此类转移，化学反应就真正地开始了。

光化学研究的理论基础就是光诱发电子跃迁的能力，而这种能力可以在整个化学反应的进程里起到决定性的作用。能量是量子化的。它在不同的电子轨道上分级储存，也就是说，能量呈阶梯状变化，并不连续。第一层的基态原子所具有的能量最少，它们吸收了恰好总量的能量，因此跃迁到第二个阶梯，成为激发态电子。但因为能量无法稳定供给，它们趋向于回到第一层的基态状态。它们在回去的过程中会释放能量，这部分能量有着诸多的表现形式：有时候它们会以光辐射的形式被释放出来，有的时候会成为热辐射，还有的时候，这部分能量被转变成其他形式，储存在别的分子里。

问：在你的研究里你提到太阳光可以让这些微粒衰老，它是如何做到这一点的？

答：汽车尾气中那些燃烧的直接产物成分已经被人们摸透了。这些直径小于2.5微米的小微粒并不会马上沉积在地表，而是悬浮在空中——有的时候是几天，有的时候几星期，在这段时间里它们有足够的时间被太阳光激发，发生一系列次生反应。

你刚开始研究的是已经清楚化学成分的那些基本物质，但随着时间流逝，在太阳提供的源源不断的能量的影响下，这些被排放的化学物质不断发生电子的得失和转移，化学组成也在随时间不断变化。同时，你还需要考虑到时间对混合过程的影响。举例说，多环芳烃并不能够在没有氧化剂的条件下自行反应，但是如果空气中的其他物质刚好能作为氧化剂，而随着时间推移它们和多环芳烃充分接触的话，化学反应就可以进行了。有许多氧化剂能够和多环芳烃反应。因此，多环芳烃和空气中的氧化剂混合，又受到阳光照射提供能量，过了一段时间以后，你在汽车尾气管边上能找到的污染物化学成分和几天前它刚被排放出来时可就大不相同了。

问：有多少潜在反应会涉及到你刚才举的多环芳烃的那个例子？

答：就仅仅我刚才说的，多环芳烃在与氧分子吸收了光能之后形成的单线态氧分子反应，就已经包括了至少十余种具体反应。只是一个电子转换的机理，就可能会造成300余种类似的反应。

问：为什么你会选在北极地区来进行你的研究？

答：我选择了世界的最北边来进行研究，一个原因是因为世界是统一的，人类活动造成的影响在任何地方都会得到体现。另一个原因是，在北极研究可以非常有效地避免城市系统的干扰以及人为排放的其他污染物的影响。在北极会存在一段极夜时期，可以为研究提供一个充分的暗环境，因此对于光敏反应的研究来说控制变量也变得更加方便。

问：你认为提升空气污染研究水准的最好途径是什么？

答：我认为，诚然需要几个人大声疾呼，为我们做出宣传，但更多的人需要脚踏实地地工作。

我们是训练有素的怀疑论者。让某种固守的传统发生改变，需要大量的信息搜集和公众科普工作。这也是实践科学最主要的目的之一。我们要做有责任心的探险家，我们需要提出有意义的科学问题，并且孜孜不倦地钻研它们。

问：我知道你的研究数据已经被纳入气候变化模型中。你觉得未来人们能够更好地理解气候变化吗？

答：早在20世纪80年代，随着极地地区臭氧层空洞的出现，科学家们就已经对政界发出了紧急呼吁，他们刻不容缓地需要在这个现象的诱发原因上达成共识。而那一次合作的结果是针对氟氯烃严格的立法限制。这个合作的积极意义展现得比较慢，这也是事实——因为立法必然伴随着对经济的影响。付出和回报总是并存的。针对气候变化这个问题，目前科学界已经达成了共识，接下来就是要寻求和立法者的合作了。

[资料来源：American Scientist][责任编辑：粒灰]