PM2.5的科学认识

常规对照表 PM2.5

PM_2.5是什么？

如果是初次接触，“PM_2.5”这一串字符也许会让你看得云里雾里，不知所云。其实它有一个容易理解的中文名——细颗粒物，是对空气中直径小于或等于2.5微米的固体颗粒或液滴的总称。这些颗粒如此细小，肉眼是看不到的，它们可以在空气中漂浮数天。人类纤细的头发直径大约是70微米，这就比最大的PM_2.5还大了近三十倍。

PM是英文particulate matter（颗粒物）的首字母缩写。准确的PM_2.5定义要在“直径”之前加一个修饰 语“空气动力学”，这可不是故作高深。空气中的颗粒物并非是规则的球形，那怎么定义又怎么测量其直径呢？在实际操作中，如果颗粒物在通过检测仪器时所表现 出的空气动力学特征与直径小于或等于2.5微米且密度为1克/立方厘米的球形颗粒一致，那就称其为PM_2.5。这样的定义也就决定了在测定PM_2.5时，需要利用空气动力学原理把PM_2.5与更大的颗粒物分开，而不是用孔径为2.5微米的滤膜来分离。

知道了PM_2.5的定义，就很容易得出PM₁₀的定义了——将定义中的2.5换成10即可，PM₁₀也被称为可吸入颗粒物。在PM₁₀中，直径在2.5至10微米之间的颗粒物被称为粗颗粒物，与细颗粒物相对。

PM_2.5的成分？

虽然自然过程也会产生PM_2.5，但其主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM_2.5，也排放某些气体污染物，在空气中转变成PM_2.5。直接排放主要来自燃烧过程，比如化石燃料（煤、汽油、柴油）的燃烧、生物质（秸秆、木柴）的燃烧、垃圾焚烧。在空气中转化成PM_2.5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它的人为来源包括：道路扬尘、建筑施工扬尘、工业粉尘、厨房烟气。自然来源则包括：风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌。

PM_2.5的来源复杂，成分自然也很复杂。主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。其它的常见的成分包括各种金属元素，既有钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，也有铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。

2000年有研究人员测定了北京的PM_2.5来源：尘土占20%；由气态污染物转化而来的硫酸盐、硝酸盐、氨盐各占17%、 10%、6%；烧煤产生7%；使用柴油、汽油而排放的废气贡献7%；农作物等生物质贡献6%；植物碎屑贡献1%。有趣的是，吸烟也贡献了1%，不过这只是 个粗略的科学估算，并不一定准确[1]。该研究中也测定了北京PM_2.5的成分：含碳的颗粒物，硫酸根，硝酸根，铵根加在一起占了重量了69% 。类似地，1999年测定的上海PM_2.5中有41.6%是硫酸铵、硝酸铵，41.4%是含碳的物质[2]。

PM_2.5对健康的危害？

PM_2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死[3]。老人、小孩以及心肺疾病患者是PM_2.5污染的敏感人群。严重的是产生颗粒肺部沉积
如果空气中PM_2.5的浓度长期高于10微克/立方米，死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米，总的死亡风险就上升4%，得心肺疾病的死亡风险上升6%，得肺癌的死亡风险上升8%[4-5]。 PM2.5的危害固然不可忽视，但仍不可与吸烟相比。对于烟民而言，千万不要有“反正空气污染，抽不抽烟一个样”的心理。吸烟可使男性得肺癌死亡的 风险上升22倍（也就是上升2200%），女性的风险上升12倍（1200%）；使中年人得心脏病死亡的风险上升2倍（200%）

PM_2.5的标准

自从美国于1997年率先制定PM_2.5的空气质量标准以来，许多国家都陆续跟进将PM_2.5纳入监 测指标。如果单纯从保护人类健康的目的出发，各国的标准理应一样，因为制定标准所依据的是相同的科学研究结果。然而，标准的制定还需考虑各国的污染现状和 经济发展水平，在一个空气污染严重的发展中国家制定极为严格的空气质量标准只能成为一个华丽的摆设，没有实际意义。根据美国癌症协会和哈佛大学的研究结 果，世界卫生组织（WHO）于2005年制定了PM_2.5的准则值。高于这个值，死亡风险就会显著上升。WHO同时还设立了三个过渡期目标值，为目前还无法一步到位的地区提供了阶段性目标，其中目标-1的标准最为宽松，目标-3最严格[5]。

下表列举了WHO以及几个有代表性的国家的标准。中国拟实施的标准与WHO过渡期目标-1相同。美国和日本的标准一样，与目标-3基本一致。欧盟的 标准略微宽松，与目标-2一致，澳大利亚的标准最为严格，年均标准比WHO的准则值还低。标准的宽严程度基本反映了各国的空气质量情况，空气质量越好的国 家就越有能力制定和实施更为严格的标准。

测定PM_2.5

空气中漂浮着各种大小的颗粒物，PM_2.5是其中较细小的那部分（定义见问答1）。不难想到，测定PM_2.5的浓度需要分两步走：（1）把PM_2.5与较大的颗粒物分离；（2）测定分离出来的PM_2.5的重量。目前，各国环保部门广泛采用的PM_2.5测定方法有三种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这三种方法的第一步是一样的，区别在于第二步。

将PM_2.5直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。值得一提的是，滤膜并不能把所有的PM_2.5都收集到，一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜。只要滤膜对于0.3微米以上的颗粒有大于99%的截留效率，就算是合格的[19]。损失部分极细小的颗粒物对结果影响并不大，因为那部分颗粒对PM_2.5的重量贡献很小。

重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。然而重量法需人工称重，程序繁琐费时。如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。

β射线吸收法：将PM_2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM_2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM_2.5的重量[20]。美国大使馆那台知名度很高的仪器依据的就是此原理。

微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM_2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM_2.5的重量[20]。

将PM_2.5分离出来的切割器又是怎么工作的呢？在抽气泵的作用下，空气以一定的流速流过切割器时，那些较大的颗粒因为惯性大，一头撞在涂了油的部件上而被截留，惯性较小的PM_2.5则能绝大部分随着空气顺利通过。也许你已经觉察到，这和发生在我们呼吸道里的情形是非常相似的：大颗粒易被鼻腔、咽喉、气管截留，而细颗粒则更容易到达肺的深处，从而产生更大的健康风险。

对于PM_2.5的切割器来说，2.5微米是一个踩在边线上的尺寸。直径恰好为2.5微米的颗粒有50%的概率能通过切割器。大于2.5微米的颗粒并非全被截留，而小于2.5微米的颗粒也不是全都能通过。例如，按照《环境空气PM₁₀和PM_2.5的测定 重量法》的要求，3.0微米以上颗粒的通过率需小于16%，而2.1微米以下颗粒的通过率要大于84%[21]。

特殊的结构加上特定的空气流速共同决定了切割器对颗粒物的分离效果，这两者稍有变化，就会对测定产生很大影响，而使结果失去可比性。因此，美国环保局在1997年制定世界上第一个PM_2.5标准的时候，一并规定了切割器的具体结构[16]。于是，虽然 PM_2.5的测定仪器有不少品牌，它们外观却极为相似。

雾霾与PM_2.5

虽然肉眼看不见空气中的颗粒物，但是颗粒物却能降低空气的能见度，使蓝天消失，天空变成灰蒙蒙的一片，这种天气就是灰霾天。根据《2010年灰霾试点监测报告》，在灰霾天，PM_2.5的浓度明显比平时高，PM_2.5的浓度越高，能见度就越低[23]。

虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度，不过相比于粗颗粒物，更为细小的PM_2.5降低能见度的能力更强。能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候，颗粒对光的散射消光能力最强。可见光的波长在0.4-0.7微米之间，而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM_2.5的主要组成部分。理论计算的数据也清楚地表明这一点：粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克，而PM_2.5的消光系数则要大得多，在1.25-10平方米/克之间，其中PM_2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右，是粗颗粒的5倍[24]。所以，PM_2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。

值得一提的是，灰霾天是颗粒物污染导致的，而雾天则是自然的天气现象，和人为污染没有必然联系。两者的主要区别在于空气湿度，通常在湿度大于90%时称之为雾，而湿度小于80%时称之为霾，湿度在80-90%之间则为雾霾的混合体[25]。