PM2.5的动力学行为分析及其对能见度的影响

南通高等师范学校 陈建 选自《物理教师》2012年第7期

1.PM2.5的基本组成与来源

在我国空气中悬浮颗粒物是大多数地区空气首要污染物。根据颗粒物粒径大小通常可分为降尘、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物和细颗粒物。较粗的粒子,它靠自身的重量即可较快沉降到地面,称降尘,降尘的粒径范围大约为100~1000μm。粒径小于100μm的称为TSP,即总悬浮颗粒物。粒径小于10μm的颗粒物,以PM10表示,它可以通过呼吸进入人体的上、下呼吸道,故又名可吸入颗粒物。粒径小于2.5μm的颗粒物,以PM2.5表示,通常称可入肺颗粒物,又叫细颗粒物。TSP、PM10、PM2.5在粒径上存在着包含关系。虽然PM2.5只是地球大气成份中含量很少的组份,但它与较粗的大气颗粒物相比,富含大量的有毒、有害物质,因而对人体健康和大气环境质量的影响更大,正日益成为表征城市大气污染的首要指标。

虽然自然过程(如道路扬尘、火山灰、森林火灾等)也会产生PM2.5,但PM2.5的主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM2.5,也排放某些气体污染物,在空气中转变成PM2.5。直接排放主要来自于燃料燃烧等活动,如柴油发动机汽车、锅炉、废物焚烧、露天烧烤、火烧秸秆和居民烧柴等产生的碳黑粒子。每当夏收和秋收季节我国一些地区特别是经济和农业比较发达的大中城市郊区,田间地头、道路两旁随意焚烧农作物秸秆,造成环境污染。在空气中转化成PM2.5的气体污染物主要有SO2、NOx、NH3、挥发性有机物等,它们经化学反应后可以形成粒径较小的硫酸盐、硝酸盐等二次粒子。二次粒子的生成与SO2排放、挥发性有机物排放、氮氧化物排放以及大气环境中臭氧生成能力有关,SO2主要来源于燃煤锅炉和燃油锅炉,NOx主要来源于锅炉与机动车,NH3主要来源于化肥生产、动物粪便、焦炭生产等。

地区不同,污染源种类不同,PM2.5的组成成份会有差异。如:上海PM2.5主要由烟尘集合体、燃煤飞灰、矿物颗粒、生物质颗粒和不明物质等组成。济南市环境空气中PM2.5的首要污染源是机动车尾气尘,其次是土壤尘、建筑尘、硫酸盐等二次粒子。一般而言,PM2.5主要成分是元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐,还含有铅、锌、砷、镉、铜等有毒重金属元素。由于PM2.5可以穿过肺部并存留在肺的深处,且它富集、携带多种致癌和有毒物质,日益成为大气污染物中损害人体健康的元凶,同时它也是人为能见度下降的祸首,目前已经成为世界各国研究的重点。“PM2.5”已成为2011岁末大众科普最热的词汇。

2.PM2.5的动力学行为分析

PM2.5动力学分析
图1

PM2.5颗粒细小,但它在空气中的停留时间长、输送距离远,影响范围大,这是由微粒受重力、空气阻力作用的动力学行为所决定的。如图1所示,设微粒在有阻力的空气中无初速地自离地面为h的地方竖直下落,并设空气对微粒的阻力与微粒运动速度的一次方成正比,根据牛顿运动定律微粒运动的微分方程为\(m\frac{{{d^2}x}}{{d{t^2}}} = - b\frac{{dx}}{{dt}} - mg\),

其中m为粒子质量,b为阻力系数。即

\(\frac{{{d^2}x}}{{d{t^2}}} = - \frac{b}{m}\frac{{dx}}{{dt}} - g\)。

令\(\frac{{dx}}{{dt}} = \xi - \frac{{mb}}{g}\),则

\(\frac{{d\xi }}{{dt}}{\rm{ + }}\frac{b}{m}\xi = 0\),

积分得\(\xi = {C_1}{e^{ - \frac{b}{m}t}}\)。

\(\frac{{dx}}{{dt}} = {C_1}{e^{ - \frac{b}{m}t}} - \frac{{mg}}{b}\),(1)

由初始条件t=0时,\(\frac{{dx}}{{dt}}\) =0。所以,\({C_1} = \frac{{mg}}{b}\) 。(1)式变为

\(\frac{{dx}}{{dt}} = \frac{{mg}}{b}{e^{ - \frac{b}{m}t}} - \frac{{mg}}{b} = - \frac{{mg}}{b}(1 - {e^{ - \frac{b}{m}t}})\)。

对上式再积分,并考虑t=0时,x=h,故

\(x = h + \frac{{{m^2}g}}{{{b^2}}}(1 - {e^{ - \frac{b}{m}t}}) - \frac{{mgt}}{b}\) 。

可见,微粒的运动与微粒受到的重力mg、微粒的质量m和阻力系数b有关:微粒的质量m越大重力就越大,微粒下落就会越快;阻力系数b越大空气对微粒的阻力就越大,微粒下落就会变慢。当时间足够长时,微粒的速度大小接近极限速率\(\frac{{mg}}{b}\) 。

有学者在研究中将微粒视为表面光滑的刚性圆球体,运用碰撞理论计算了微粒的空气阻力系数,并研究了微粒大小与飘落所需时间的关系,得出:在一定温度下,微粒越小,飘到地面所需的时间就大,但不是简单的线性关系。当然,空气中微粒的形状极不规则,微粒在空气中运动时特别是碰撞之后,常常会发生旋转,加之气流的运动会产生垂直于颗粒的升力,确切地得出阻力系数是困难的。但以上分析中得出的“当微粒的体积很小时,飘落到地面上所需的时间将会很长”仍成立。由此,导致PM2.5在空气中停留时间长达数天至数月,可输送到数百至数千公里之外,难于从空气中清除。

3.PM2.5对能见度的影响

“车辚辚,马萧萧,行人弓箭各在腰。耶娘妻子走相送,尘埃不见咸阳桥。”杜甫在诗《兵车行》中说的是战前送别中车马人流扬起的灰尘会影响到空气的可见度。自20世纪70年代以来,大气颗粒物对能见度的影响就一直是环保部门关注的问题之一。尽管PM2.5肉眼看不见,但它对阳光消解明显,会降低空气的能见度,使蓝天消失,天空变成灰蒙蒙的一片。能见度降低的本质是可见光的传播受到阻碍,发生光的散射和吸收。

3.1光的散射效应

光束通过不均匀介质所产生的偏离原来传播方向向四周散射的现象称光的散射。散射作用的强弱取决于入射电磁波的波长及散射质点的性质和大小。研究表明,光散射是影响能见度的第一大贡献者。

在洁净的、未受污染的大气中,大部分的散射是空气中的分子(主要是氧和氮分子)引起的,这些分子的大小比可见光的波长要小得多。瑞利理论指出,散射光强和波长的四次方成反比(\(I \propto \frac{1}{{{\lambda ^4}}}\)),在这种情况下,散射主要影响波长较短的光。我们目睹天空看到的蔚蓝色正是光谱中蓝色附近颜色的混合色。

当天气不好或者有大气污染的时候,蓝天不蓝,天空呈灰蒙蒙的,能见度下降。有研究表明:其中颗粒物的散射能造成60~90%的能见度减弱。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0.4~0.7μm之间,而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5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0.6m2/g,而PM2.5的消光系数则要大得多,在1.25~10m2/g之间,其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3m2/g左右,是粗颗粒的5倍。因此,不少学者都认为细颗粒物质量浓度是导致能见度下降的主要原因。要说明的是,在PM2.5浓度相同情况下,随着相对湿度的增加能见度会逐渐降低,特别是相对湿度大于80%时,能见度随着湿度的增加快速下降。因为PM2.5中有不少可溶性粒子,如硫酸盐、硝酸盐、铵盐以及有机酸盐等,这些粒子的吸水性很强,随着相对湿度的增加,颗粒物的粒径、折射率发生改变,对光的散射增强。

3.2光的吸收效应

除了真空,没有一种介质对电磁波是绝对透明的。光的强度随穿进介质的深度而减少的现象,称为介质对光的吸收。大气中颗粒物对光的吸收效应构成能见度下降的另一重要原因。强度为I0的光束进入均匀物质中一段距离l光强满足朗伯定律:I=I0e-αl(α为吸收系数)。研究表明,PM2.5对光的吸收效应几乎全部是由碳黑(也称碳元素)和含有碳黑的颗粒物造成,粗煤灰粒子(大于1μm)的光吸收效应实际上比细煤灰粒子低。尽管全世界每年排放的碳黑仅占全部颗粒物排放量的0.2~1.0%,但是他们的总消光程度是透明颗粒的2~3倍,导致光强降低很多,某些地方甚至使能见度降低一半以上,还可形成烟雾而使城市呈褐色。

PM2.5会降低空气的能见度,使蓝天消失,天空变成灰蒙蒙的一片,这种天气称为灰霾天气。但“雾”和“霾”是有区别的:雾是一种自然现象,是因悬浮的水汽凝结、能见度低于1km时的天气现象;而灰霾天是一种大气污染现象,是空气中悬浮的大量微粒尤其是其中PM2.5和气象条件共同作用的结果。

小粒子,大问题。相信随着人们对PM2.5危害性的认识,国家严格的控制法规的出台,如《环境空气质量标准》中将PM2.5纳入常规空气质量评价,加之国内外许多研究人员已经开始对PM2.5脱除从机理和运行工艺上的研究,未来我们周围的空气将更清新、天空将更明朗。

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发布时间:2013/10/16 9:15:07  阅读次数:5164

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