引言

在美国西海岸南部,有一座美丽的城市被誉为“天使之城”,那就是洛杉矶。作为美国第二大城市,它坐落在海边群山环绕气候温和,有着得天独厚的地理条件,在美国的城市化发展进程中备受青睐。可就是这样一座美丽富饶的城市,却在2019年被《洛杉矶时报》再次评为臭氧污染最严重的城市,这背后的原因和城市化进程以及工业化发展密不可分。

早在上世纪40年代初期,美国经济快速发展,汽车制造量位居世界第一,仅洛杉矶地区汽车总量就已突破250万辆,与此同时,洛杉矶地区的民众发现空气质量的恶化也在逐渐增加,当地居民经常会发现阳光明媚的城市上空笼罩着一层浅蓝色的烟雾,在这样的环境里,许多群众出现了眼红、喉咙痛、头痛恶心、呼吸急促等症状。

这种情况没能得到好转,反而到1943年愈演愈烈,科学家对这一现象进行科学研究之后,确定造成这一切的罪魁祸首正是臭氧污染。事件的根本原因是由于洛杉矶庞大的车辆基数。这些汽车每天尾气排放会产生数以吨记的碳氢化合物、氮氧化物以及CO,它们会在太阳光紫外线照射下发生光化学反应转变为以臭氧为主要成分的光化学烟雾,造成光化学污染。光化学烟雾的形成与工业发展、气候变化紧密相连,随着社会发展的进步,大量汽车尾气排放和工业废气排放成为了光化学烟雾形成的罪魁祸首,对人体和自然环境有着严重的危害。

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图 1 笼罩洛杉矶的光化学烟雾(图片来源于网络)

我国上世纪70年代初期,可用能源主要以燃煤为主,煤炭燃烧除了会释放大量烟尘外还会产生大量氮氧化物,这成了这一时期我国大气最主要的污染源。1974年,甘肃省兰州市西固区就曾发生过学生经常上课眼红流泪的事件,北京也有类似事件报道[1],后证实其原因是光化学烟雾所致。

中国作为最大的发展中国家,在改革开放的城市化进程中,工业科技快速发展,汽车制造量突飞猛进,越来越多的工厂高炉巍然矗立,但在一定时期内,对环境造成的伤害也不容忽视,中国沿海地区,例如上海、深圳、中国香港等地都受到过光化学烟雾污染。到了21世纪,环境问题成为了人类迫切关注的问题。

中国在环境问题的改善上,率先开展了行动,在我国人与自然命运共同体理念的指引下,在我国绿水青山就是金山银山的可持续发展下,我国扎实推进蓝天保卫战、碧水保卫战以及净土保卫战,取得的环境治理成效显著。现如今,我国经济发展迅速,大气污染从过往的燃煤污染逐渐转变为光化学烟雾污染以及二者混合型污染,在愈发增快的城市化进程下,我们当下更需警惕光化学烟雾的污染。本篇科普内容带你一起了解究竟何为光化学烟雾以及关于它形成的原因、机理以及危害和治理。

光化学烟雾的概念以及化学组成

光化学烟雾主要是指汽车尾气以及工厂废气作为一次污染物排放在大气中,经过太阳光紫外线照射,发生光化学反应所形成的二次污染物,与一次污染物混合后,在阳光照射下为浅蓝色烟雾状[2]。这些一次污染物主要为氮氧化物(NOx)以及碳氢化合物。

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图 2 工厂废气和汽车尾气排放图(图片来源于网络)

光化学烟雾的主要化学组成有:臭氧(O3)、过氧乙酰硝酸酯(PAN)、过氧化氢(H2O2)、无机酸(HNO3)、醛以及烃类化合物等。

光化学烟雾的形成机理及形成条件

形成光化学烟雾的原因是排入大气中的氮氧化物和碳氢化合物浓度升高在阳光照射会下发生一系列的氧化还原反应,也就是人们常说的光化学反应。反应会产生大量高活性自由基以及二次污染物,混合之后就形成了光化学烟雾。

根据报道可知[3],光化学烟雾的形成过程主要依据链反应,分为三个过程,即链引发:NO2的光解反应、链传递:自由基传递反应、链终止。该链反应过程循环往复,直至碳氢化合物反应完全,生成光化学烟雾的主要二次污染物,如PAN、O3等。其主要反应机理如下所示:

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由反应方程式我们可以看出,链传递过程的自由基反应十分关键,主要由NO2以及醛类光解产生,碳氢化合物的存在是自由基链传递的初始必备条件。光化学烟雾的形成过程可如图3所示。

光化学烟雾的形成最重要的原因是由于汽车尾气和工业废气的排放,除此之外,光化学烟雾的形成与地理环境也有着一定的关系。首先,所处环境的纬度对光化学烟雾的形成有着一定影响,因为链引发过程的NO2光解需要在波长为290-430nm范围内的太阳光辐射才可以发生,所以在一些低纬度地区,由于大气散射较弱,光化学烟雾形成的概率较大。其次,季节气候变化也对此有影响,由于南北半球的角度差异,在夏季南半球往往比北半球更容易发生光化学烟雾现象。最后,天气状态对此也有影响,晴朗、高温、22m/s以下的风力、70%以下的湿度更容易形成光化学烟雾[4]。

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图 3 光化学烟雾形成过程示意图[5]

光化学烟雾的危害

1、对人体的危害

光化学烟雾对人体具有刺激作用,长期生活在该环境中,可能使人体罹患多种疾病。光化学烟雾中含有的污染物较多,且具有一定毒性,对人体皮肤的伤害很大,特别是眼睛,容易造成人体眼睛发红,流泪等症状。有报道称[6],美国加尼福尼亚州三分之四的人由于光化学烟雾患上了红眼病。此外,它对人体呼吸系统也有伤害,会令人出现咳嗽、喉咙痛、头晕头疼等症状。

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图 4 红眼病(图片来源于网络)

2、对植物的危害

光化学烟雾对植物的影响甚至超过人类,因为它的主要成分O3会减弱植物的光合作用,对植物的生长有着严重的影响,造成树木枯死,农作物长期下去会出现叶片发黄直至干枯死去的现象,造成粮食减产,植物自然的营养吸收也会受到影响,抵抗力变差[7]。

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图 5 森林干枯(图片来源于网络)

3、对大气能见度的影响

光化学烟雾可与大气中的颗粒状污染物混合,例如烟尘、PM2.5等形成气溶胶,弥漫在空气中,形成此类污染物后难以沉降,而且它会影响光的散射,造成大气能见度降低,因此车辆行人有遭遇车祸的风险。[8]

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图 6 大气能见度变低(图片来源于网络)

光化学烟雾的治理措施

在对光化学污染的治理上,我们可以从它的形成原因出发,从源头上治理它,即减少汽车尾气和工业废气的排放。随着我国发展越来越快,对环境保护的要求也越来越高,针对光化学烟雾的治理措施主要但不限于以下几点[9]。

1、减少汽车尾气排放。汽车燃油无法充分燃烧,排放的汽车尾气中含有许多对环境有害的氮氧化物和CO以及碳氢化合物,因此可以通过科学技术手段提高汽车燃油的利用率,除此之外,为汽车尾气排放添加净化装置,提高车检的通过标准也是有效办法。现如今各个城市新能源汽车越来越多,使用清洁能源是一个环境减负的有效措施。

2、减少工业废气排放,更新能源结构。工厂废气中含有许多硫化物、氮氧化物、烟尘、以及氟化物,是形成光化学烟雾的又一元凶。废气排放必须经过后处理,可进行脱N脱S工序,降低污染物含量。此外,我国是一个拥有庞大人口的国家,煤炭、石油仍是当下使用最主要的能源,但对这些能源经过前期处理后再使用是减少光化学污染的有效手段,例如煤的净化、石油提纯等。寻找新型能源替代传统化石燃料是未来环境治理的重要途径,例如太阳能、风能、核能等。

3、化学手段破坏形成光化学烟雾的链反应。根据链反应的机制,可以采用化学试剂阻止该反应的发生,从而减少光化学烟雾。比较出色的化学试剂有二乙基羟胺,此外还有苯胺、苯酚、二苯胺等,它们可以消除链反应中的自由基,破坏光化学烟雾的形成。消除机理为:(C2H5)2NOH+HO·→(C2H5)2NO+H2O[10]。

结语

光化学烟雾对人体健康和自然环境有着严重危害,在我国城市经济快速发展的背景下,我们必须警惕光化学烟雾的形成,这就要求社会各界都能积极主动参与环境治理,从小事做起,规范标准,共同营建我们的美丽家园,让碧水蓝天与我们共存。本篇科普,浅谈了一下光化学烟雾的形成原因以及危害,对它的治理提出建议,供感兴趣的读者阅读分享。