为什么要重点监控大气中的PM2.5？
林烈
当今，不论你生活在城市或农村、沿海或内陆、平原或山区，都已深深感到环境污染问题的日益严重。环境的恶化已严重威胁到我们每一个人的健康，甚至整个人类的生存。控制环境污染，改善人们的生存条件，已成为所有地球人的共同呼声。
环境污染涉及到许多方面，如土壤污染、水体污染、大气污染、噪声污染及辐射污染等等，产生这些污染的原因很多，但大部分都是由于人为的因素造成的。
相关的研究表明：在过去的十年里，全球的平均气温上升了0.1摄氏度，海平面上升了3厘米，有9000万公顷的森林消失，数以万计的物种灭绝。截止到2011年年底，全球的人口已超过70亿，在过去的十二年里就增加了10亿。随着全球人口爆炸式的增长，人们对富裕生活的追求，地球上的有用资源将面临枯竭。人类在工业、农业、交通运输、日常生活及其它活动中向周边环境中排放的各种废弃物将越来越多，地球生态系统的脆弱平衡将被打破，人类的生存环境将日益恶化。
现在，大气污染已成为影响人类健康的危险因素之一。大气中的污染物包括有毒废气、有毒废液形成的雾滴及各种微小的固体颗粒物。北京地区的空气污染，主要为可吸入颗粒物。我们知道，一个人每天大约要吸入15－20立方米的空气。如果你用电视新闻里每天公布的大气中可吸入颗粒物的污染指数作一番计算，就可以大致算出你一天要吸入多少这类有毒物质。例如，今天公布的大气PM10污染指数(API)为75，那么可以换算出污染物的浓度为100微克/立方米(实际上，北京的大气污染指数经常超过这个值)，假设所有颗粒物的直径都为10微米，且密度都为1克/立方厘米，这样就可以算出，这一天你至少吸入了4×106个有毒颗粒。如果考虑到在这些颗粒中，大部分颗粒的粒径都小于10微米，那么这个数字还要大得多。更可怕的是，这些颗粒中粒径较小的那部分都滞留在了你的体内。当你忙碌一天回到家里、走进卫生间想清洗一下时，发现自己不只是满面尘土，而且从嗓子眼里清理出来的东西也是黑黑的。那么，你的家是否就是一个安全的避风港呢？也未必!室外的有毒气体也会进入你的居室，而且你家里那些精挑细选所置办的各种时尚家具及漂亮的装修材料也在散发出各种有毒气体。生活在看似方便、舒适而现代化社会里的人们，却同时在承受着现代化给他们带来的惩罚。
图1 雾霾笼罩下的北京
下面我们先来看一看西方老牌工业化国家——英国，由于空气污染所带来的惨痛教训吧：英国从十八世纪开始工业化运动以后，大量使用煤炭作为燃料。因此，集中了大量工厂企业的伦敦，空气污染非常严重，伦敦也就成了世界有名的“雾都”。狄更斯的著名小说《雾都孤儿》就是以伦敦为背景创作的。1952年12月4日，伦敦大雾弥漫，呛人的浓厚烟雾笼罩全城达5天之久，几天内死亡人数比平时增加了4000人，这就是著名的“伦敦大雾”事件。类似的烟雾灾害随后又发生过几次，这对英国人产生了很大的震动。经过长期的治理，现今的伦敦已再也见不到这种天气了。但是我们还在重复着他们所走过的老路。
如果我们每天看电视新闻，就会知道，在新闻播报后，北京市的环保部门都要发布当天北京地区的空气污染指数。北京的大气污染物，主要是可吸入颗粒物，以前监测的对象主要是PM10。根据有关报导，今后我国的环保部门，对大气污染的监测工作，将逐步从过去的重点监测PM10过渡到重点监测PM2.5，并且要将治理PM2.5的情况，作为官员政绩考核的内容之一，直接和官员的升迁挂钩。看来政府真的下了狠心，这对咱们老百姓无疑是一个福音。
从2012年1月21日起，北京市环境保护监测中心网站开始对外发布PM2.5研究性监测数据。据悉，除北京外，目前广州、无锡也公布了PM2.5监测数据。此外，上海、郑州、南京、沈阳、柳州、成都、厦门、武汉、合肥及杭甬绍嘉湖等共14城市均已开始监测PM2.5，并计划对外公布。而浙江将成为我国首个对外公布PM2.5监测数据的省份。2012年初，国家颁布了我国关于PM2.5的《国家空气质量标准》，这个标准规定：PM2.5 的年平均值及24小时平均值分别不高于35微克/立方米及75微克/立方米，此标准将从2016年起正式实施。其实，这是一个只相当于世界卫生组织提出的第一阶段的较低标准，因为，对于我们这样一个发展中国家来说，要达到较高的空气质量标准，还有很长的路要走。
对于我们生活在北京市的居民来说，实际情况还要更严峻一些。2010年，北京市大气中PM10年均浓度为121微克/立方米，超过现行国家标准(100微克/立方米)21%；而PM2.5的年均浓度约为70微克/立方米，超出《国家空气质量标准》中限制值(35微克/立方米)近一倍。
这个PM2.5是何种“怪物”会使人们如临大敌？下面我们来对它作一些分析。
PM的英文全称为Particulate Matter (颗粒物)，而数字2.5是指这种颗粒物的空气动力学直径(aerodynamic diameter)为2.5微米。环境科学中PM2.5的浓度或其他污染气体的浓度是指每立方米空气中这种污染物的质量含量，它反映了空气的污染程度，这个值越高，就代表空气污染越严重。由于空气中污染物的种类很多，如：可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳及臭氧等，为了统一评估，我国的环保部门，将每一种污染物的浓度都换算成统一的空气污染指数，然后对外发布。
悬浮在大气中的颗粒物，其成分、大小、比重都各不相同，其形状更是五花八门。如何用一个统一的指标来对他们进行衡量，以方便对空气的质量进行评估呢？由于这些颗粒物是悬浮于空气之中，主要通过人类的呼吸道进入人体、对人产生危害，因此它在空气中的漂浮与沉降特性显然非常重要。考虑到这一因素，科学家采用一个和颗粒物在气体中沉降特性有关的“空气动力学直径”来表征这种颗粒物的大小。这样，不论这种颗粒物为何种成分、何种形状、何种尺寸，只要它们具有相同的沉降速度，我们就认为它们具有相同的空气动力学直径。空气动力学直径的定义为：单位密度(ρ＝1克/立方厘米)的球体在静止的空气中，在重力作用下，达到与实际粒子相同的最终稳定速度时的直径。
空气中的这些颗粒，在重力作用下开始运动后，便同时会承受空气的阻力作用，而且空气动力学的知识告诉我们：颗粒的速度越快，所承受的阻力越大。所以空气中的颗粒先加速下沉，然后会趋向一个稳定的沉降速度，此时重力和气体对颗粒的阻力达到了平衡。在这种情况下，对于这些粒径很小、速度很低的颗粒来说，其雷诺数很小(Re<<1)，因此阻力系数CD可以用一个近似式(CD≈24/Re)来表达。当我们不考虑气体对颗粒的浮力及其它的作用力时，就可以得到它在重力作用下沉降速度的表达式：
在上式中，d为颗粒的直径，g为重力加速度，ρp为颗粒的密度，μg为气体的动力粘度。
从上式可知，这些颗粒的沉降速度和粒径的平方、颗粒的密度成正比。也就是说，粒径越小、密度越低，颗粒沉降得越慢。如果再有一些外力引起空气微小的扰动，这些细小的颗粒即使在无风的条件下，最终也很难沉降到地面上，它们会一直在空中“游荡”，成为危害人体健康的罪魁祸首。研究表明：白天，粒径较小的颗粒在上升热气流的带动下，可以漂浮到离地面很高的空中。因此，生活在高层建筑上层的居民，千万不要以为“高高在上”就已远离了这些污染物，那些粒径较小的颗粒更要引起我们的注意。
图2 显微镜下的PM2.5颗粒
(图片来自网上的有关报导)
不同大小空气动力学直径的颗粒，在空气中有不同的沉降速度，它们在气流中的跟随性也不同。当气体的流动方向改变时，较大、较重的粒子在惯性的作用下容易偏离气流的方向，甚至沉积到容器的壁面上。这也是工业中常用的旋风分离器的原理。现在用于检测大气中污染物浓度的冲击式大气飘尘采样器就是利用这个原理制成的。在分级式大气飘尘采样器中，每一级收集一定粒径范围内的颗粒物，通过这样的仪器，我们就可以检测出大气中各种直径颗粒物的浓度。现在的采样器有专门为收集PM10而设计的，也有专门为收集PM2.5而设计的。
图3 北京华运安特科技有限公司生产的Kc-6120大气飘尘采样器
(可选配PM10、PM5及PM2.5采样头)
PM10是指粒径等于、小于10微米的颗粒物，它用于监测可以进入人体胸部的可吸入颗粒物。PM2.5是指粒径等于、小于2.5微米的颗粒物，它用于监测危害人类深层呼吸道的可吸入颗粒物。下面我们来看看不同粒径可吸入颗粒物对人体健康的影响。
表1 PM10及PM2.5的不同浓度对人体健康的影响
空气中颗粒物的来源多种多样，如：各种工厂排放的烟尘、民用取暖及日常生活等排放的废气、各种车辆排放的尾气、地面扬尘及空气中的雾滴等。这些颗粒有固态的，也有液态的，而且成分非常复杂。在这些液态或固态颗粒表面还可能吸附着一些其他成分，有时我们也称这类颗粒为气溶胶。自然因素产生的颗粒包含较多的无机成分，如：硅、钙、铝、铁等，而燃煤、燃油及化工生产排放的颗粒物，除了含有铅、铬、镉、锰、砷、镍、汞等有毒元素、硫酸盐、硝酸盐及多种氧化物外，还有许多有机化学成分。这种颗粒可以长时间悬浮在大气中，人们在呼吸时，它们就被吸入人体的体内，因此，它们是对人类健康危害最大的一类污染物。人类呼吸道的形状弯弯曲曲，就像一个微型的过滤器，这种结构的本身就是为了阻挡空气中的一部分异物。这些颗粒物空气动力学直径的大小，对颗粒是否会进入人体的呼吸道、会沉积在人体呼吸道的哪些部位至关重要。通常直径大于30微米的颗粒，很容易沉降到地面，因此不太会被人吸入体内，故它们对人类健康的危害较小。而直径在10微米以下的颗粒是人类健康的杀手，尤其是直径2.5微米以下的颗粒。研究结果表明：直径大于10微米的颗粒大部分被阻挡在鼻腔及咽喉部位，直径在10－2.5微米的颗粒则可以进入下呼吸道的支气管。至于直径2.5微米以下的颗粒，它们在气流中的跟随性非常好，就可以到达细支气管及肺泡，并粘附在肺泡上。这些粘附在肺泡上的颗粒，人体很难将其通过气道清理出体外，它们会长期滞留在人体内，而且可能进入血液、并进一步到达人体的各个部位。幸好，人类的呼吸系统还有最后一道防线，即我们的肺泡里有一种专门用于围歼这些有毒颗粒的巨噬细胞，它可以处理掉一部分突破道道防线、深入到这里的颗粒。包括通过气道排出体外或通过淋巴及血液系统来处理掉这些微小的颗粒。肺泡是我们人体的血液从外界吸收新鲜氧气并排出二氧化碳的地方。如果每天都有大量的有毒颗粒聚集到肺泡，再能干的肺泡也会有不堪重负、精疲力竭的时候。一旦大量的巨噬细胞死亡，肺泡也将失去它的功能，呼吸系统的功能将衰竭，这就意味着人生命的终止。
 
图4 人体的肺部 图 5 支气管及肺泡
(图片来源：《大英人体自查彩色图谱》，亚伯拉罕斯?彼得著，2005年。)
这些长期滞留在人体内的颗粒，将会对人体带来严重的后果。对于那些表面吸附了多种有毒气体的(如：二氧化硫、二氧化氮、氟化氢、氯气等)，将会刺激并腐蚀人呼吸道的黏膜，从而引起支气管炎、肺气肿及哮喘等疾病。如果这些颗粒表面吸附了某些重金属(如：汞、铅、砷、铍、镉、铬、铊等)，就会引起某些慢性中毒，产生纤维肺、矽肺、甚至恶性肿瘤。如果这些颗粒物的表面吸附了某些有机化学成分(如高分子的多环芳烃)，它将成为致癌的重要因素。另外，各种病毒及细菌也会吸附在这些颗粒上，当人类吸入它们以后，各种疾病就会接踵而至。可见，这些小颗粒对人类健康的危害有多大！工业中应用的旋风分离器很难分离出直径5微米以下的颗粒，我们人类的呼吸系统也无法阻挡或处理掉空气中的那些粒径太小的颗粒。因此重点监控严重危害人类健康的PM2.5尤其必要。
西方发达国家的产业早已更新换代，他们将那些高能耗、强污染的产业转移到了不发达的国家和地区，自己只留下一些研发设计、金融服务及高端制造等产业。这样，他们既赚取了巨额利润，又摆脱了环境污染。我们一些去过西方发达国家的人，总是很羡慕他们那里的碧水蓝天，虽然这也得益于他们对环境保护的重视，但是我们也别忘了，很大程度上，那是他们靠转嫁污染的方法来获取的。当我们国家还较贫穷时，为了发展工业、提高人民生活水平，我们不得不付出沉重的代价。现今，当我们有了一定的经济实力以后，就必需逐步淘汰那些高污染的企业，改变产业结构，在改善人民生活、发展生产的同时，将治理环境、提高人民生活质量放到首要位置。现在各级政府对治理PM2.5的重视，已表明正在向这个方向努力。任重道远，为了人类的健康，我们大家必须同心协力，为建设一个绿色家园而奋斗。
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