空氣污染和太陽輻射

章琪/編譯

空氣污染和太陽輻射

章琪/編譯

空氣污染并不是靜態(tài)的。不同的物質(zhì)相互作用，反應(yīng)物組合不斷改變，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)也就持續(xù)發(fā)生著?？死锵＜{· L·福斯特（Krishna L. Forster，左圖），加州州立大學(xué)化學(xué)教授，同時也是美國自然科學(xué)協(xié)會（Sigma Xi）的榮譽講師，正在研究太陽輻射對于微粒復(fù)合反應(yīng)造成的影響，一個經(jīng)典的例子就是汽車尾氣中包含的小顆粒?！睹绹茖W(xué)家》主編法尼拉·桑德斯（Fenella Saunders）最近對她進(jìn)行了專訪。

問：您正在研究空氣中的微粒，可以為它們下一個確切的定義嗎？

答：空氣微粒主要是指那些在大氣層中廣泛分布，但并非氣體分子的物質(zhì)。它們以固態(tài)或液態(tài)的形式存在，因此而生的獨特性質(zhì)也讓人們將它們從大氣一般成分中獨立出來。它們懸浮在空中，視顆粒大小而定，有時持續(xù)存在幾天甚至幾個星期。

灰塵是這類顆粒物中體積比較大的一個分支，它們的直徑一般大于10微米，差不多是一根頭發(fā)絲的寬度。但這一類我們并不需要太過關(guān)注，因為它們極少有可能深入人類的呼吸系統(tǒng)。目前研究的重點是直徑小于2.5微米的顆粒，因為當(dāng)人們吸入這些顆粒的時候，它們會順勢進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，從而引發(fā)一系列的健康問題。

發(fā)生在此類微粒上的損傷過程與那些氣相污染物非常類似，但是這一類固體微粒的變化結(jié)果——比如大概要多長時間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物為何，這些與氣相情況全然不同。這也是我研究大氣層中這一類固體微粒的反應(yīng)的原因，我需要了解它們?nèi)绾斡绊憽白畛跷廴疚镫S時間發(fā)生改變”的這個過程。

問：這些固體微粒是如何形成的？

答：一般情況下通過機械撞擊形成的固體小微?！热绾＠伺拇虬哆吔甘瘯r卷下的小顆粒，直徑都在10微米以上。為何我們要把衡量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置成2.5微米呢？因為這是化學(xué)反應(yīng)，尤其是燃燒，可能產(chǎn)生的最大顆粒直徑。它甚至可能源于一個吸附了固體雜質(zhì)的氣體微粒，或者是一開始就是一個已經(jīng)存在的小微粒——比如空中懸浮的小水滴，然后不斷吸附，溶解各種雜質(zhì)和可溶化學(xué)物質(zhì)。

問：為何化學(xué)燃燒被認(rèn)為是PM2.5小微粒的特定來源？

答：當(dāng)我們說到燃燒產(chǎn)生的小微粒，你第一個想到的可能就是煙灰。在19世紀(jì)初的倫敦，年輕的煙囪清掃工在年紀(jì)漸長時罹患肺癌的比率幾乎是一個驚人的數(shù)字。當(dāng)下，汽車尾氣中含有相似的致癌物成分。不完全燃燒的烴類化合物的主要成分——無論其源于1800年代的煙囪還是現(xiàn)在的汽車尾氣——都是一致的。它們被稱為多環(huán)芳烴（PAH），意思是一系列緊密相連形成不同結(jié)構(gòu)的苯環(huán)的衍生物。苯環(huán)是一個可以看作單雙鍵交替的六元環(huán)狀化合物，呈正六邊形。

許多能夠在人類生理結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)功能的分子都有著相似的結(jié)構(gòu)。因此毒性危害的一種途徑便是“迷惑替代”，從外界攝入的有毒有害物質(zhì)與體內(nèi)原有的需要在生理活動中行使其功能的化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，機體無法分辨，因此干擾了正常生命活動，造成傷害。

日常生活中與PAH的接觸是無法回避的。比如燒烤的時候就一定會存在燃燒不完全的情況，而機體在這方面的自我防護能力還是很強的。但是如果有持續(xù)的大量接觸，危險就會產(chǎn)生了。因此，享用一塊美味的烤玉米對身體來說不算什么大事，但把房子建在一條擁堵的高速公路邊上這種事，還是盡可能避免比較好。

問：在這些小微粒間進(jìn)行的反應(yīng)中，太陽扮演了一個什么角色？

答：太陽是一種強大的能量來源，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)換進(jìn)行的時候，電子的得失是一個非常重要的環(huán)節(jié)。在絕大部分波長的輻射下，化合物穩(wěn)定存在，電子的行為并不會受太大影響。但是一旦他們遇見了合適波長的輻射所釋放的能量，化合物就會吸收它。電子被這一部分能量激發(fā)，發(fā)生躍遷。一旦電子發(fā)生了此類轉(zhuǎn)移，化學(xué)反應(yīng)就真正地開始了。

光化學(xué)研究的理論基礎(chǔ)就是光誘發(fā)電子躍遷的能力，而這種能力可以在整個化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程里起到?jīng)Q定性的作用。能量是量子化的。它在不同的電子軌道上分級儲存，也就是說，能量呈階梯狀變化，并不連續(xù)。第一層的基態(tài)原子所具有的能量最少，它們吸收了恰好總量的能量，因此躍遷到第二個階梯，成為激發(fā)態(tài)電子。但因為能量無法穩(wěn)定供給，它們趨向于回到第一層的基態(tài)狀態(tài)。它們在回去的過程中會釋放能量，這部分能量有著諸多的表現(xiàn)形式：有時候它們會以光輻射的形式被釋放出來，有的時候會成為熱輻射，還有的時候，這部分能量被轉(zhuǎn)變成其他形式，儲存在別的分子里。

問：在你的研究里你提到太陽光可以讓這些微粒衰老，它是如何做到這一點的？

答：汽車尾氣中那些燃燒的直接產(chǎn)物成分已經(jīng)被人們摸透了。這些直徑小于2.5微米的小微粒并不會馬上沉積在地表，而是懸浮在空中——有的時候是幾天，有的時候幾星期，在這段時間里它們有足夠的時間被太陽光激發(fā)，發(fā)生一系列次生反應(yīng)。

你剛開始研究的是已經(jīng)清楚化學(xué)成分的那些基本物質(zhì)，但隨著時間流逝，在太陽提供的源源不斷的能量的影響下，這些被排放的化學(xué)物質(zhì)不斷發(fā)生電子的得失和轉(zhuǎn)移，化學(xué)組成也在隨時間不斷變化。同時，你還需要考慮到時間對混合過程的影響。舉例說，多環(huán)芳烴并不能夠在沒有氧化劑的條件下自行反應(yīng)，但是如果空氣中的其他物質(zhì)剛好能作為氧化劑，而隨著時間推移它們和多環(huán)芳烴充分接觸的話，化學(xué)反應(yīng)就可以進(jìn)行了。有許多氧化劑能夠和多環(huán)芳烴反應(yīng)。因此，多環(huán)芳烴和空氣中的氧化劑混合，又受到陽光照射提供能量，過了一段時間以后，你在汽車尾氣管邊上能找到的污染物化學(xué)成分和幾天前它剛被排放出來時可就大不相同了。

問：有多少潛在反應(yīng)會涉及到你剛才舉的多環(huán)芳烴的那個例子？

答：就僅僅我剛才說的，多環(huán)芳烴在與氧分子吸收了光能之后形成的單線態(tài)氧分子反應(yīng)，就已經(jīng)包括了至少十余種具體反應(yīng)。只是一個電子轉(zhuǎn)換的機理，就可能會造成300余種類似的反應(yīng)。

問：為什么你會選在北極地區(qū)來進(jìn)行你的研究？

答：我選擇了世界的最北邊來進(jìn)行研究，一個原因是因為世界是統(tǒng)一的，人類活動造成的影響在任何地方都會得到體現(xiàn)。另一個原因是，在北極研究可以非常有效地避免城市系統(tǒng)的干擾以及人為排放的其他污染物的影響。在北極會存在一段極夜時期，可以為研究提供一個充分的暗環(huán)境，因此對于光敏反應(yīng)的研究來說控制變量也變得更加方便。

問：你認(rèn)為提升空氣污染研究水準(zhǔn)的最好途徑是什么？

答：我認(rèn)為，誠然需要幾個人大聲疾呼，為我們做出宣傳，但更多的人需要腳踏實地地工作。

我們是訓(xùn)練有素的懷疑論者。讓某種固守的傳統(tǒng)發(fā)生改變，需要大量的信息搜集和公眾科普工作。這也是實踐科學(xué)最主要的目的之一。我們要做有責(zé)任心的探險家，我們需要提出有意義的科學(xué)問題，并且孜孜不倦地鉆研它們。

問：我知道你的研究數(shù)據(jù)已經(jīng)被納入氣候變化模型中。你覺得未來人們能夠更好地理解氣候變化嗎？

答：早在20世紀(jì)80年代，隨著極地地區(qū)臭氧層空洞的出現(xiàn)，科學(xué)家們就已經(jīng)對政界發(fā)出了緊急呼吁，他們刻不容緩地需要在這個現(xiàn)象的誘發(fā)原因上達(dá)成共識。而那一次合作的結(jié)果是針對氟氯烴嚴(yán)格的立法限制。這個合作的積極意義展現(xiàn)得比較慢，這也是事實——因為立法必然伴隨著對經(jīng)濟的影響。付出和回報總是并存的。針對氣候變化這個問題，目前科學(xué)界已經(jīng)達(dá)成了共識，接下來就是要尋求和立法者的合作了。

[資料來源：American Scientist][責(zé)任編輯：?；襗