细微大气颗粒物PM_2_5_及其研究概况_杨复沫

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"#$% & 对人体健康和大气能见度的影响
虽然大气颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分， 但
对空气质量、 能见度、 酸沉降、 云和降水、 大气的辐射平衡、 平流
层和对流层的化学反应等均有重要影响。与较粗的颗粒物相 占人为颗粒 物排放量的 #’ # . &’ (= 和全部 颗粒物排 放量的 易成为其它污染物的运载体和反应体） ， ,’ & . #’ ,= ， 但其引起的消光效应却要高得多， 在某些地方甚 比+ $%&’ ( 比表面积大 （ 富含大量的有毒、有害物质且在大气中的滞留时间长、输送距 至可以使能见度降低一半以上。根据 A46B 等人 C #111 D 的研 离远 （ 如粒径在 ,’ #!- . #’ ,!- 范围内的颗粒物可在对流层滞 留 & . " 周， 输送到高度 &,/-、 距离 0,,,/- 以外） ， 因而对人体 健康和大气环境质量的影响更大。 !% ’ "#$% & 对人体健康的影响 自 &, 世纪 0, 年代后期以来，人们逐渐重视对大气颗粒 究， 在澳大利亚布里斯班， 细颗粒物的吸光系数占总消光系数 的 &2’ 0= 。 根据气象局的资料，北京市市区的能见度在十多年前为 十几公里，而现在通常仅为 & . " 公里。在北京进行的研究 （ 表明， #111 ） $%&’ ( 与大气能见度的线性相关性高达 ,’ 1: 。
稳定，而是很快通过碰并而长大，或者成为云或雾滴的核，其 寿命通常不超过 # 小时。积聚模态粒子是大气中最稳定的气 溶胶粒子，主要是由爱根核模态粒子通过碰并、凝聚、吸附等 物理效应长大而成， 此外也可由挥发性组分凝结、 气) 粒转化 而成， 或来自于细小的地面尘。这部分粒子在大气中存在的时 间最长， 输送的距离最远， 污染范围最广。 $%&’ ( 的形成方式有三种：直接以固态形式排出的一次粒 子； 在高温状态下以气态形式排出、 在烟羽的稀释和冷却过程 中凝结成固态的一次可凝结粒子；由气态前体污染物通过大 气化学反应而生成的二次粒子。$%&’ ( 中的一次粒子主要产生 于化石燃料 （ 主要是石油和煤炭 ）和生物质燃料的燃烧，但在 一些地区某些工业过程也能产生大量的一次 $%&’ ( 。一次粒子 的源包括从铺装路面和未铺装路面扬起的无组织排放以及矿 物质的加工和精炼过程等， 其它的一些源如来自建筑、 农田耕 作、 风蚀等ห้องสมุดไป่ตู้地表尘对环境 $%&’ ( 的贡献则相对较小。可凝结 粒子主要由可在环境温度凝结而形成颗粒物的半挥发性有机 物组成。二次 $%&’ ( 由多相 （ 气)粒 ） 化学反应而形成， 普通的 气态污染物通过该反应可转化为极细小的粒子。在大多数地 而二 和氮 （ 为所观察到的二次 $%&’ ( 的主要组分， 区， 硫（ )） *） 次有机气溶胶在一些地区也可能是重要的组成部分。
在呼吸道内沉着、 滞留和清除有关。此外， 环境因素如温度和 相对湿度对颗粒物的吸入危害也有一定影响。一般而言， 大于 #, !- 粒子大部分被阻留在鼻腔或口腔内；穿过气管的 $%#, 中的 #,= . :,= 可沉积在肺部而造成危害。大气颗粒物的肺 部沉积曲线呈双模态， 在 . " !- 处的峰值为 &,= ， 在 ,’ ," !处的峰值为 :,= 。 沉积在肺部的粒子能存留数周至数年； 可吸 入颗粒 物在鼻腔 内的大 量沉积 可导致上 呼吸道 疾病 如鼻窦 炎、 过敏症等。 !% $ "#$% & 对大气能见度的影响 自 &, 世纪 2, 年代以来，大气颗粒物对能见度的影响就
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行了介绍， 并全面综述了国内外开展的相关研究。 !"#$%&’$
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大气颗粒物的粒径范围在 .& .( / (.. !0 之间，统称为总 1 在美国， 悬浮颗粒物 （ +,$） +,$ 则是指小于 2. !0 的大气颗粒 物 3 ； $%(. 和 $%#& ’ 分 别 指 空 气 动 力 学 直 径 45 小 于 或 等 于 (. !0 和 #& ’ !0 的 大 气 颗 粒 物 。 $%(. 也 称 为 可 吸 入 颗 粒 物 （ ， 世界卫生组织 （ 则称之为可进入胸 -6758598: $5;<=>8:?） @AB） 部的颗粒物 （ ； 定义的 +7C;5>=> $5;<=>8:?） $CC8:D 与 E=99?（ ())F ） 是指能够进入人体肺泡的 可入肺颗粒物 （ G:?H=;598: $5;<=>8:?） 颗粒， 即指 $%#& ’ 。 通常也称为细 $%#& ’ 属于细微颗粒物的范畴， 粒子 （ 。 I=6: $5;<=>8:?） 大气颗粒物的形成、 迁移、 转化和清除过程及物理化学性 质均与其粒径有着直接的关系。大气颗粒物具有三种不同的 ，积聚模态 （ 自然模态：爱根核模态 （ 45 J / .& .K !0） / .& .K ， 粗粒子模态 （ 。通常将前两种模态的 J45 J# !0） 45L # !0） 颗粒物称为细微颗粒物。不过， 这一界限尚存在争议， 一般认 为在 # / "& ’ !0 之间。 M& ,& N$O 提出的 $%#& ’ 也主要是基于 粗、 细颗粒物的界限， 而不是基于模拟粒子在呼吸系统的沉积 提出的易引起儿童和成人发 而提出的； 国际标准化组织 （ -,B） 生肺部疾病的 “ 高危险性颗粒物 ” 为小于 #& 2 !0 的颗粒物， 与 $%#& ’ 甚为接近。 ! "# !
一直是环保部门关注的问题之一。尽管在大气中只占很少的 大量 一部分， 但颗粒物对城市大气光学性质的影响可达 11= 。 的研究表明， $%&’ ( 与能见度密切相关。 大气能见度主要是由大气颗粒物对光的散射和吸收决定 的。空气分子对光的散射作用很小， 其最大的视距 （ 极限能见 具体数值与光的波长有关 ） 。在实际的大 度） 为 #,, . ",,>-（ 气中由于颗粒物的存在， 能见度一般远远低于这一数值： 在极 干净的大气中能见度可达 ",>- 以上； 在城市污染大气中能见 度可在 (>- 左右甚至更低； 在浓雾中能见度只有几米。 在大气 气溶胶中，主要是粒径为 ,’ # !- . #’ , !- 的颗粒物通过对光 的散射而降低物体与背景之间的对比度， 从而降低能见度。在 这一粒径范围的颗粒物中， 含有 )?@& ! 的粒子和含有 *?" ! 的粒 子最易散射可见光。 也称元素碳 ） $%&’ ( 对光的吸收效应几乎全部是由碳黑 （ 和含有碳黑的颗粒物造成的。尽管全世界每年排放的碳黑仅
目前， 细微颗粒物 $%#& ’ 已成为国际上大气污染研究领域 的热点和前沿。自八十年代起，美国和一些欧洲国家对 $%#& ’ 开展了广泛的研究；美国更是于 ())* 年制定了关于 $%#& ’ 的 环境空气质量标准。我国对大气颗粒物的研究仍主要集中在 和可吸入颗粒物 （ ， 而对 $%#& ’ 则研究 总悬浮颗粒物 （ +,$） -$） 甚少。同时， 我国城市 $%#& ’ 的污染问题正引起越来越多的关 注，有关部门正在开展或计划开展这方面的研究工作。 $%#& ’ 的组成复杂且多变， 采样与分析技术要求高且有待于完善， 这 给研究工作带来许多困难和不确定性。 本文对 $%#& ’ 及其有关 的研究进行介绍，希望藉此引起更多的关注并对国内开展有 关研究有所裨益。
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$%#& ’ 不是一种单一成分的空气污染物，而是由来自许多 不同的人为或自然污染源的大量不同化学组分组成的一种复 杂而可变的大气污染物。就产生过程而言，$%#& ’ 可以由污染 源直接排出 （ 称为一次粒子 ） ，也可以是各污染源排出的气态 污染物 经过冷凝 或在大 气中发 生复杂的 化学反 应而 生成的 （ 称为二次粒子 ） 。大气颗粒物中大部分的硫酸、 硫酸氢铵、 硫 酸铵、 硝酸铵、 元素碳 （ 和有机碳 （ 等组分存在于 $%#& ’ NP） BP） 之中。 一次粒子 $%#& ’ 中的一次粒子主要是 BP、 NP 和土壤尘等。 在源与受体之间经历的变化很小，其环境浓度在总体上与其 排放量成正比。$%#& ’ 中的二次粒子主要有硫酸盐、 硝酸盐、 铵 盐和半挥发性有机物等。二次硫酸盐粒子很稳定， 而含有硝酸 铵、 半挥发性有机物的二次粒子因具有挥发性而在气、 粒之间 转化以维持化学平衡。当温度高于 ". Q 时，大部分硝酸盐以 气态如硝酸的形式存在；当温度低于 (’ Q 时，大部分的硝酸 盐以粒子如硝酸铵的形式存在。相对湿度以及氨和硝酸的浓 度也对这一平衡有影响，但温度是最主要的影响因素。 ,B# 、 RA" 、RBS 是酸雨、硫酸氢铵、硫酸铵和硝酸铵等粒子的前体 物；一些 TBP, 也可转化成粒子，且这些转化大多数产生于强 烈的光化学反应， 同时伴随有大量的臭氧产生。
+
)*+, - 的来源
上述三种模态的大气颗粒物的来源、形成特点以及污染
危害水平各不相同。粗粒子模态中的颗粒物主要是由工业源、 生活源燃烧排放、机械粉碎过程和交通运输等产生的原生粒 子和各种自然界产生的粒子组成。这部分粒子是大气气溶胶 的体积浓度和质量浓度的主要贡献者；由于重力沉降作用大， 它们在大气中存在的时间不长； 除了特殊的气象条件， 不能作 长距离输送。爱根核模态粒子也称为超细颗粒物 （ M8<;5U=6: ， 主要是由污染气体经过复杂的多相大气化学反应转 $5;<=>8:?） 化而成， 或者由高温下排放的过饱和气态物质冷凝而成， 少量 来自于自然界和人为源直接排放。这部分粒子在大气中最不
物的健康影响研究。所有的研究结果均确认吸入体内的颗粒 物会导致肺炎、气喘、肺功能下降等呼吸系统疾病；生活在颗 粒物污染水平较高地区人群的死亡率明显增加。大部分的健 康影响被认为是小粒径部分 （ $%#, 和 $%&’ ( ）而不是大粒径部 分所造成的。在美国巴尔的摩进行的研究 （ 表明， #112 ） $%&’ ( 的浓度 与人体心 率降低 之间具 有显著的 统计相 关性 。根据 的研究， 每天死亡率的增加与 $%&’ ( 的相 )3456789 等人 （ #11: ） 关 性 最 强 ， 当 $%&’ ( 日 平 均 增 加 #, !; < -" 时 ， 死 亡 率 增 加 #’ (= 。哈佛大学对 0,,, 名成年人进行了为期 #: 年的颗粒物 流行病学研究， 证实 $%&’ ( 与死亡率的上升显著相关。目前已 知的细微颗粒物对人体健康的影响主要包括：增加重病和慢 性病患者的死亡率；使呼吸系统、心脏系统疾病恶化，医院中 此类急诊增多；改变肺功能及其结构；改变免疫功能；患癌率 增加。颗粒物引起的三类疾病值得重视：（ # ）传染病：包括流 （ 过敏： 包括由自然过敏源引起的哮喘 感、 肺结核和肺炎等； &） （ 和肺泡炎； 肺癌等。 "） 大气颗粒物对人体的危害程度主要取决于其成分、浓度 和粒径。颗粒物的成分是主要的致病因子， 决定是否有害和引 起何种疾病； 颗粒物的浓度和暴露时间决定了吸入剂量， 颗粒 物的浓度越高、暴露时间越长，则危害越大；颗粒物粒径与其
细微大气颗粒物 !"#$ % 及其研究概况
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杨复沫 马永亮 贺克斌 （ 清华大学环境科学与工程系， &’’’() ）
摘
要
本文简述了 !"#$ % 的性质、 来源、 对人体健康和大气能见度的影响等， 对有关 !"#$ % 的空气质量标准的立法情况进