應(yīng)對區(qū)域灰霾對生態(tài)環(huán)境的影響之淺見

黃艷貞

(廣東省固體廢物和化學(xué)品環(huán)境中心,廣東 廣州 510308)

近年來,中國城市灰霾現(xiàn)象持續(xù)不斷,影響范圍和程度總的來說雖經(jīng)過十幾年來的強化治理和環(huán)保督察,得到較明顯的改善,還遠未得到根本有效控制。盡管各級政府頻頻出招加大監(jiān)管力度,通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),減少污染物的排放,化石燃料在能源結(jié)構(gòu)中的比例有所下降,但總量仍然居高不下。每年到冬春季,灰霾如期而至,情況更加讓人無奈和揪心。令人尷尬的是,灰霾成因仍未有明確定論,但筆者認為灰霾必須通過粒子性與波動性相互轉(zhuǎn)化形成界面—水汽團加以解析,可能會引起共鳴。

我國高速發(fā)展的珠江三角洲、長江三角洲和京津唐地區(qū)高度集中消耗大量的物質(zhì)和能源,成品油消耗占全國45%,煤占全國25%,實現(xiàn)GDP占全國37%。經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)同時又是高能消耗區(qū)。筆者整理近十年有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):燃煤消耗與燃油消耗總量與灰霾出現(xiàn)區(qū)域幾率與程度呈明顯的正相關(guān)。燃煤電廠排放大量的冷卻水水蒸汽與二氧化碳,機動車燃油消耗也產(chǎn)生大量的水蒸汽與二氧化碳,人為排放的水蒸汽與二氧化碳疊加形成界面聚焦長波輻射增熱形成灰霾。不間斷的燃料燃燒產(chǎn)生的氣體不斷向大氣中排放,隨著氣層擴張并不同比例降解散發(fā),形成的氣圈層一旦受阻就會持續(xù)增強,形成更大范圍的氣團,特別是水汽恒溫氣團——云層,使得其受重力影響不斷下降,進一步壓縮低層大氣空間,使得其邊界大氣層越來越低,一旦上層大氣層流速慢,極易形成靜穩(wěn)的逆溫層。按照理想氣態(tài)方程PV=NRT,體積越小,壓力越大,從而使得外來太陽光與人為排放的廢熱產(chǎn)生的光磁正反疊加形成更明顯的界面,從而使地表溫度持續(xù)升溫,猶如天空覆蓋一層層天穹形成溫室大棚,使得光輻射強迫加強,聚焦形成有核波增加,即PM2.5粒子增多,灰霾持續(xù)惡化。因此,當?shù)乇沓掷m(xù)升溫時,極易形成灰霾;但地表持續(xù)降溫時,空氣流動性增加,灰霾消遁。

雖然燃料燃燒排出的二氧化碳,約有50%留在大氣里,其余大部分被海水吸收,小部分被植物吸收,但據(jù)有關(guān)資料,自工業(yè)革命以來,大氣中二氧化碳含量增加了25%,遠遠超過科學(xué)家勘測出來的過去16萬年的全部歷史記錄,而且目前尚無減緩的跡象。僅僅從1958年到2006年這短短的幾十年時間里,大氣中的二氧化碳年平均濃度就從310×10-6上升到381×10-6[1-2]。環(huán)境人為排放的水蒸汽導(dǎo)致城市上空的濕度明顯增加,熱島效應(yīng)非常明顯。我國長江流域的南京、武漢、重慶和長沙被譽為我國的四大“火爐”,呈現(xiàn)灰霾與“火爐”共存的局面[3-4],主要原因也是水蒸汽與二氧化碳等溫室氣體高度集中,形成界面受長波輻射增熱的結(jié)果。近代世界上所發(fā)生的重大大氣污染事件中,基本與逆溫層的影響有關(guān)。

1 灰霾基本成因

有學(xué)者認為,灰霾是塵象的一種,地面上各種車輛、工廠、噴射機等排放的空氣污染物,特別是二次顆粒物光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生新的污染物,與空氣中之鹽粒、水氣等物質(zhì)集中在一起,使能見度降低的一種大氣現(xiàn)象。由于天空背景為藍色,水蒸汽為白色,煙塵為黑色,水蒸汽與煙塵混合而成的顆粒物在蔚藍色的背景下呈現(xiàn)灰白、灰黃或黃棕色現(xiàn)象,看起來會遮蔽我們的視線,引起視覺難受。若冬春季吹西北風(fēng),風(fēng)速在每秒兩米以下,空中有下沉氣流,它能像鍋蓋似的阻止空氣流動,于是在城市上空出現(xiàn)“逆溫”層,污染物就在“逆溫”層下邊堆積起來。

筆者認為:界面的形成具有三個條件,一是單(奇數(shù))原子分子組成的分子反射面,二是各種不同奇數(shù)原子分子互相影響而雜化固定,三是有一個相對穩(wěn)定的熱源不斷向外界發(fā)射?；姻才c界面的形成密切相關(guān),與燃料燃燒、炸彈爆炸原理相同。燃料燃燒、炸彈爆炸在釋放長波光子的同時,短波收縮形成氣態(tài)物質(zhì),如二氧化碳氣體和水蒸汽、氮氧化物等。根據(jù)已有研究報道,雙原子偶數(shù)分子易形成反射線,三原子或五原子等奇數(shù)原子分子易形成反射面。也就是說O2、N2、H2只能形成反射線難以雜化,運動速度快,不易形成界面;而水汽、二氧化碳、一氧化二氮、臭氧等易反射面,進而形成體,被雜化固定而容易形成界面。這也許是原子線圈與分子面圈自然運動物質(zhì)基本元素。原子線圈包括光信息圈、電磁圈、火圈、原子外圍的電子云圈,分子面圈包括水圈、土圈、大氣層圈、原子核內(nèi)層圈。原子線圈的速度快而虛,分子面圈的速度慢而實。所有圈層均由線先由“8”構(gòu)成一個內(nèi)凹平面,再構(gòu)成一個扭轉(zhuǎn)曲面,最后才能構(gòu)成體。同一個平面可以快速形成電場進行變換,不同平面可形成勢場不均勻交換波線。簡單的圈層波線很少超過三層?！?”圈內(nèi)凹平面像蝴蝶一對翅膀,也像動物的一對對肋骨由粗到細向外擴張,只要它是活的或自然運動的,均形成一個輝圈。

當長波光子經(jīng)過短波光子形成的界面衍射、反射聚焦,會產(chǎn)生大量的熱量隨之釋放。物質(zhì)由固相變?yōu)闅庀嗌踔磷優(yōu)楣獠?電磁波)時一旦在一定容積內(nèi)反射、衍射匯集產(chǎn)生共振形成巨大的能量體;若外環(huán)境壓力低,空間范圍廣,就會逐步向外擴張,擴散氣體或光波一旦受阻,形成反射,縱波加強橫波削弱,形成循環(huán)體就已聚集在某個區(qū)域,就會出現(xiàn)我們看得到的灰霾或煙霞。下面從能量界面、電磁場回路界面、逆溫三個方面加以解析。

1.1 從能級界面方面解析

根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=MC2=HV,熱力學(xué)定律,說明顆粒物越多,質(zhì)量越大,光的輻射頻率越大,發(fā)射越強,能量就越大。PM2.5細顆粒物是二次光化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物,有比粗顆粒物更大的比表面積,離地面越高,尺寸和重量越小的內(nèi)能向動能的轉(zhuǎn)化越多,物質(zhì)升得越高。到一定大氣層,產(chǎn)生裂變反應(yīng),其結(jié)果是有機顆粒物減少,無機顆粒物增加,輻射強迫增強,吸收水分的能力增強。由于不同能級的細顆粒物不斷細分,使得其能級越來越接近,若向外輻射縱波受到阻礙反射,縱波削弱橫波加強,越容易形成循環(huán)閉合圈,出現(xiàn)同能級的界面。

水蒸汽受氫鍵作用可以同時以氣、液、固三態(tài)存在,是最容易形成界面的物質(zhì);而其他物質(zhì)如O3、SO2、NOx、H2S等氣體物質(zhì)難以同時在常態(tài)下以氣、液、固三態(tài)同時存在,不易形成界面。在具有界面的情況下,才能形成一定體積,根據(jù)PV=NRT公式,如果一定濕度氣體,升高溫度或降低壓力,氣體體積增大,液體容易氣化;反之,降低溫度或增加壓力,氣體體積減少,容易液化。如果你對著一定界面的玻璃哈氣,增濕加壓或加熱或增加顆粒物(增加熱散射)就會有水蒸汽變成水珠依附在玻璃上。前面講過單數(shù)原子分子水汽、二氧化碳、一氧化二氮、臭氧等易反射面,進而形成體,被雜化固定而容易形成界面。那么對灰霾同樣適合這個原理。能級密度(燃燒礦物燃料)增加或熱輻射(人為排放顆粒物)增加,天氣變冷(大氣層上空冷空氣下沉形成界面)或濕度增加(燃料燃燒包括火力發(fā)電與機動車排放水蒸汽與二氧化碳),灰霾天氣必然增加。據(jù)南海熱帶海洋研究所研究資料:我國、印度大氣中的碳黑粒子(吸收水的能力強)占細粒子比例達到20%,遠遠大于發(fā)達國家的水平。這就是在冬天取暖、城市市區(qū)(高大建筑物)熱輻射以及潮濕的春天灰霾天氣多的原因。

1.2 從電磁場回路界面解析

前面提到的熱輻射波向外擴散遇到阻力出現(xiàn)逆溫時,縱波削弱而橫波增強形成一個回路電場。電場可以看成相對穩(wěn)定的界面場,回路具有電動勢;磁場是變化的電場由小變大而形成的,可以看成正向擴張與反射波傳播的正疊加,同相疊加越多,顯示出波峰與波谷越強,越易形成界面,同時混雜的波越多,其固化穩(wěn)定性越好。但如果形成的界面波長長,使得其容易穿越波長短的圈層,難以形成反射;若形成界面波短,垂直其波的縱面波難以穿越,則易形成反射。磁偶極子可有兩層以上,但幾乎都有電場界面所控制,變化越多,磁偶極子越多。一旦成形,就以此為基礎(chǔ)不斷擴張形成有形個體?？梢哉J為,循環(huán)疊加形成的“8”圈內(nèi)旋多顯示出電場,對外多顯示出磁場。

所有固化也許是兩種或兩種以上的波交叉產(chǎn)生火“8”圈聚焦,同時又快速釋放,不參與循環(huán)或斷裂的波爾帶出熱量的結(jié)果。長波的種類多,相互交叉的情況會多,產(chǎn)生的反應(yīng)或變化會多。高溫的物質(zhì)與低溫的環(huán)境容易被反射形成界面。因此可以說內(nèi)外波圈的溫差或能級差決定了某界面形成的強弱。

1.3 關(guān)于從“逆溫”方面解析

我們上空的大氣對流層,氣流上升越高,氣溫越低。一般地,氣流每上升100 m,氣溫則下降0.6 ℃。氣溫減率超過1 ℃時,則大氣層中的氣流極不穩(wěn)定。相反,當氣流上升越高,而溫度也隨之升高時,也就是說氣層中水蒸汽或二氧化碳明顯增加,形成界面或云層,吸收陽光,使之太陽光短波輻射通過衍射、反射變?yōu)殚L波輻射,升高溫度,這種現(xiàn)象稱之為“逆溫”現(xiàn)象。但是“逆溫”現(xiàn)象下,如果煙囪排放大量高能量的煙塵向上擴散,冷空氣下沉,阻礙了煙塵的上升,兩股氣流匯合,形成新的二次污染物。由于煙塵中含有大量的水蒸汽、二氧化碳等奇數(shù)原子分子,這些分子形成界面氣團,具有貯能作用,導(dǎo)致污染物的停留,不能及時發(fā)散出去,就會形成灰霾顆粒物?；痣姀S和工業(yè)鍋爐、窯爐和大灶、機動車輛燃料以及秸稈能源燃燒排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、揮發(fā)性有機物等污染物,同時伴隨大量的水蒸汽的排放,而同樣溫度的水蒸汽從高架源排出距離只有幾米,但含碳其他顆粒物濃度高,其擴散距離和影響范圍非常大,可以達到幾百米甚至上千米,說明高濃度的顆粒物伴隨著巨大能量,進行物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換。

對地球大氣對流層而言,隨高度上升而溫度下降,說明大氣分層形成對地心的凹面波圈由虛向?qū)嵶兓?越接近地面氣壓越高,空氣分子越密集,同時水汽濕度越大,但水要形成以圈層實體必須是上下界面壓力一定,溫度也要接近。因而以扁平狀的云層覆蓋流動最快,且聚集面積大,在云層上層快速流速快,形成負壓可以將分布不同平面水汽云層迅速匯集起來,形成“云河”。逆溫越強的時候,其平面水汽層在垂直火層的作用下匯集越強,因此可以發(fā)現(xiàn)當出現(xiàn)大面積的霧霾天時,該地區(qū)的云層一定是快速擴散鋪天蓋地往下壓縮,使得該地區(qū)云層水汽集中,云層與地面的距離越低,使得敏感人群心情郁悶難受,容易生病。相反則會出現(xiàn)天高云淡,惠風(fēng)和暢心情歡悅的景象。

2 污染源來源分析

熱電廠以燃用煤炭、重油或天然氣為燃料,放出熱量,加熱鍋爐中的水,產(chǎn)生具有一定溫度和壓強的蒸汽,將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成蒸汽的內(nèi)能,蒸汽帶動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電,但燃料所發(fā)出的熱量中有60%損失掉了,直接排入大氣中,造成人為排放水蒸汽的增加。 如果能把這部分熱量利用起來,就可以提高燃料利用率,發(fā)電廠的經(jīng)濟效益就能提高。在濕法工藝脫硫后的控制煙氣中水蒸汽的排放,日本和德國有比較先進的技術(shù),循環(huán)使用水蒸汽,防止產(chǎn)生跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象,較好地解決了煙氣泄漏問題,減少水蒸汽的排放量,大幅度降低灰霾形成的主要物質(zhì)。

機動車燃油—碳氫化合物在燃燒的過程中也排放大量的水蒸汽與二氧化碳,放出大量的熱量。CHx+O2=CO2+H2O+熱量Q,若以2022年消耗4億t燃料油計算,全國產(chǎn)生遠遠超過4億t的水蒸汽,這些物質(zhì)排放進入空氣中,雖然是低空排放,但與近地面的揚塵結(jié)合,也增加了PM10形成幾率。因此對汽車排放的水蒸汽與二氧化碳也要加強控制,減少其以氣態(tài)形式排放。

據(jù)有關(guān)資料,全國2002年耗煤14億t,2022年將近54億t,煤炭消耗量從每40年增長10億t到14年增長10億t,再到現(xiàn)在3～5年增長10億t,而同期燃油由3億t增長到4億t。說明高污染的煤炭與燃油增長速度之快,遠遠高于預(yù)期。不得不說明一方面高能耗企業(yè)沒有得到有效控制,另一方面還有最關(guān)鍵的高速增長的電力更是沒有掌控。再看能源結(jié)構(gòu)10年基本沒有太大的變化,我國煤炭消耗占所有的能源比還是在70%左右,而發(fā)達國家基本控制在20%～40%以下,可再生能源在50%以上?；疖囂崴?高鐵擴張,高速公路大力發(fā)展,其行駛的機車機械能消耗就會急速增長,由燃煤火電廠燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茉俎D(zhuǎn)變?yōu)闄C車運行的機械能不知要增長多少,加上能量轉(zhuǎn)換損失,可見高速發(fā)展的經(jīng)濟伴隨著高能耗的飛速增長,不得不引起足夠重視。要防止能源消耗過快增長,還得降低機車的行駛速度,適當控制高鐵或高速公路的建設(shè)速度,也是減輕灰霾影響的一種重要舉措。

灰霾的治理是一個長久而艱難的過程,西方發(fā)達國家也經(jīng)歷過灰霾治理艱難困苦的過程,倫敦煙霧事件和洛杉磯光化學(xué)煙霧事件曾引起全世界的關(guān)注,經(jīng)過長期艱難治理,灰霾現(xiàn)象基本得到消除或控制。

3 減排除霾措施

要消除霧霾對環(huán)境影響,還需要從如下幾個方面進一步采取措施,減少燃料的消耗與運輸。要注意學(xué)習(xí)和借鑒西方發(fā)達國家的成功經(jīng)驗。

首先,必須有耐心、有決心綜合分析形勢,從源頭上防止灰霾污染,控制或減少燃煤和燃油總量,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),適當控制高速鐵路或高速公路的建設(shè)速度,有序發(fā)展低耗能工業(yè),嚴格控制高耗能工藝,搶先占領(lǐng)技術(shù)制高點。一方面要減少燃料的燃燒,特別是高碳如煤炭的燃燒,減少水汽的生成與排放,另一方面要減少不同含碳燃料同時在某一區(qū)域燃燒而出現(xiàn)疊加效應(yīng),不同層級的云層形成幾率就會減少,霧霾天自然而然會減少。而且要全民倡導(dǎo)低碳出行,全面推行低碳經(jīng)濟,一方面依靠減少二氧化硫、氮氧化物或揮發(fā)性有機物等污染因子,關(guān)鍵是要減少二氧化碳與水蒸汽的排放,才能解決大區(qū)域的空氣污染問題。同時要減少燃料大范圍散體運輸,防止灑落揚塵造成二次污染。

其次,要提高電廠、鍋爐、窯爐、機動車燃料燃燒以及焚燒產(chǎn)生的廢氣排放標準,大幅度減少二氧化碳和水蒸汽等的排放量。

第三,政府、民間、企業(yè)、個人必須共同努力,選擇節(jié)能的方式,減少非必要的出行,減少交通運輸量,形成全社會低碳節(jié)能環(huán)保的氛圍。

第四,加強立法,從嚴控制高耗能企業(yè)生產(chǎn),提高技術(shù)含量,推行總量廢物減排,嚴格控制廢物的影響范圍,簡化廢物利用工序,全面實施循環(huán)經(jīng)濟,力爭盡快進入后工業(yè)化時代。