煙霧箱裝置在PM2.5機(jī)理研究實(shí)驗(yàn)的重大應(yīng)用

大氣環(huán)境復(fù)雜多變，溫度、濕度、光照、云的存在與否、各種污染物成分及濃度等都會(huì)可能影響到大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，二次污染物的形成快慢及化學(xué)組成。PM2.5中很大部分是二次形成的，比如硫酸鹽及一部分有機(jī)物。為了研究大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及產(chǎn)物或者不同組合污染物的健康效應(yīng)，我們需要用煙霧箱設(shè)施提供可控的實(shí)驗(yàn)條件。

煙霧箱設(shè)施有兩種：室外煙霧箱及室內(nèi)煙霧箱，兩者最重要的區(qū)別是光源，一個(gè)是自然太陽(yáng)光，另一個(gè)是人工光源，后者很難達(dá)到真實(shí)模擬太陽(yáng)光。太陽(yáng)光是大氣化學(xué)反應(yīng)的原始驅(qū)動(dòng)力，有些在太陽(yáng)光條件下的光化學(xué)反應(yīng)不一定能在人工光源條件下定性定量地反演出來(lái)。但室內(nèi)煙霧箱有可以控溫控濕的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外早在上世紀(jì)70年代，建立了一大批煙霧箱實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展大量實(shí)驗(yàn)研究。煙霧箱是研究PM2.5形成和演化的重要工具，它可以在接近真實(shí)大氣環(huán)境條件下，探索眾多大氣污染物的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，建立并驗(yàn)證了眾多污染和控制模型，為研究霧霾形成理論與治理技術(shù)提供可靠的科學(xué)依據(jù)。它能夠人為控制反應(yīng)物及反應(yīng)環(huán)境，具有參數(shù)可控以及實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，從而將特定的化學(xué)反應(yīng)與實(shí)際大氣的復(fù)雜多變區(qū)別開(kāi)來(lái)。

國(guó)內(nèi)煙霧箱實(shí)驗(yàn)室并不多，體積也大小不一，主要有北大(1.2m3)，清華(2m3)，中科院生態(tài)環(huán)境中心(30m3)，中科院廣州地化所(30m3)，中科院化學(xué)所(雙煙霧箱)，中科院安光所(雙煙霧箱)，復(fù)旦大學(xué)(5m3)，ZG環(huán)科院(56m3)等。然后，煙霧箱最大的質(zhì)疑是實(shí)際大氣復(fù)雜多變，怎么可能進(jìn)行模擬？與真實(shí)的大氣反應(yīng)相比，實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果可靠嗎？比較出色的研究是最近北大胡敏課題組剛剛在PNAS發(fā)表的黑碳對(duì)空氣質(zhì)量和氣候變化影響的定量化研究(都知道黑碳對(duì)環(huán)境和氣候有影響，以往研究大都是定性的結(jié)論)，題目"Markedly enhanced absorption and direct radiative forcing of black carbon under polluted urban environments"，主要是基于他們建立的準(zhǔn)實(shí)際大氣煙霧箱，最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于煙霧箱的設(shè)計(jì)，是真正能夠?qū)?shí)際復(fù)雜多變的大氣與可控反應(yīng)進(jìn)行聯(lián)系，從而揭示了不同地域(北京、休斯頓)黑碳對(duì)霧霾和氣候雙重作用機(jī)制的時(shí)間尺度。由于以往的模型計(jì)算不確定性較高，他們的定量化結(jié)果可以為氣候輻射模型計(jì)算提供更準(zhǔn)確的參數(shù)化方案。

此外，為了全面認(rèn)識(shí)PM2.5的形成和演化過(guò)程，不光要設(shè)計(jì)眾多對(duì)照性實(shí)驗(yàn)，還要盡可能的全面、在線表征PM2.5與氣態(tài)污染物的各種理化性質(zhì)，比如顆粒粒徑分布、化學(xué)組成、光學(xué)特性、吸濕性等等，因此所涉及到的儀器較多，基本配備的儀器至少是1000萬(wàn)以上，并且一些儀器在專業(yè)性要求非常高。

總的來(lái)說(shuō)，煙霧箱對(duì)于認(rèn)識(shí)霧霾的形成機(jī)理是很好的一種手段，但是畢竟是基礎(chǔ)研究，需要科學(xué)家們大量的實(shí)驗(yàn)積累，由于實(shí)際大氣的復(fù)雜、多變，其認(rèn)識(shí)過(guò)程無(wú)意是漫長(zhǎng)的。同時(shí)，煙霧箱實(shí)驗(yàn)與觀測(cè)結(jié)果、模型計(jì)算形成閉環(huán)，各種方法不斷相互驗(yàn)證，才能真正認(rèn)識(shí)霧霾的形成機(jī)制。

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