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霾,从脚下升起的幽灵
  • 时间:2015-12-26
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一、需要解释的问题

应通过简单的模型来解释已知的事实,自然界一向喜欢最简单的法则。

1、发生在伦敦的霾仅是单个城市,我们的是在整个华北或更大的区域,即便是北方临海城市,或农村、很远的山区都有严重的霾。

2、环保统计的污染物排放量在减少,现在很少见污染物大量排放(冒黑烟)现象,但感觉霾有逐年恶化的趋势。

3、一场大风可以使整个区域空气迅速干净,但不过几天又会出现严重的霾天气(好天不过三),尤其是去年,即便是下场雪或大雨,好空气质量也不能维持几天。

4、在去年、今年发生的霾天气,在相当广范围内,污染物在很短时间内大量释放到空气,其总量是任何污染源不可能在相应时间内所能达到的规模。

5、即便在夏季,颗粒物浓度也不大可能连续几天在很低的水平,对应的国外一些城市,年均值看似我们根本无法达到。

6、在霾严重发生期间大量降低污染物排放,很难见成效,甚至有专家说即便所有的工厂、汽车全部停工,也不会起多大作用。

7、霾里含有硫酸盐、硝酸盐、铵盐,但空气中二氧化硫、氮氧化物浓度不高,同时在很短时间内大气中不可能合成这么多盐类,即便能合成,但它的来源二氧化碳、氮氧化物未见明显减少。

8、对于北京雾霾空气中发现的1300种微生物、很多重金属如何解释。

9PM2.5的最终去向是那里,最终变成什么?吹到海里了吗,最终还是PM2.5吗?

10、霾还会出现吗,为什么有专家说未来的510年或者更久,还会出现大范围的雾霾污染,治理的过程也许要三五十年。(问诊中国雾霾,王跃思)

11、植物能除霾吗,怎么有专家说不靠谱。

12、许多城市大量企业的外迁,会减轻霾的程度吗。

13、为什么很多时候头顶的天是兰的,周围边界是灰黄的。

二、推理使用的方法

对于霾的感性、理性认识,应给出一个简单明了众人可以接受的答案,对绝大多数的相关问题,都应通过它来能分析认知,还不是将所有的问题推给天气、地理位置。

本文使用的证据是公众已知的事实,路边的花草,还有许多年前的记忆。

三、了解监测仪器

PM2.5的监测设备


现在很多地方使用先河的设备,采样器带切割器,采样管带加热系统。

环境空气由采样泵吸入采样管,经过滤膜后排出,颗粒物吸附在滤膜上,当β射线通过附着颗粒物的滤膜时,射线的能量衰减,通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。

空气中水会通过滤膜,单纯的雾不会在纸带上留下质量。

四、数据概算

霾出现时单位面积(1平方公里)500扩散高度(一般不会超过1500高度)空间,PM2.5浓度为500微克每立方米(2014-1-16北京数据)颗粒物的量:1000*1000*500*500/1000/1000/1000=250kg

一台20吨燃煤锅炉(每小时的蒸发量为20吨,每天燃煤量为80吨),标况流量30万,颗粒物实测浓度100毫克每方(标准为50,本例为超标排放),一天的颗粒物排放量为72Kg,颗粒物30%PM2.5粒径,则为22kg每天。

将区域内所有污染物排放折算成这样的锅炉,假设五天内达到这样的霾浓度,则在霾发生的区域需要每平方公里2台这样的锅炉。

这也就是说,要发生严重的霾,在整个区域内,每平方公里220吨的锅炉,连接超标排放五天,消耗煤800吨煤才能达到这样的规模。

这是不可能的事实,因为发生霾期间的污染物不可能是那几天任何污染源所能排放的。

另外的一个数据是大气降尘量,石家庄大气降尘量大概为15-18/平方公里30天,折合500Kg/平方公里天。

五、从太空看霾

从这张NASA的卫星图上,可以看出霾的影响范围,所以应从很大的区域分析,如果仅从某个城市的能源结构、污染源、大气层结分析,不大可能得出答案。

在谷歌地球中看华北,城市在整个区域所占面积很小,城市中绿地更少,区域最大面积的是“绿色”的农田。

六、模型建立:

每天排放到大气中的颗粒物有一部分沉降或被吸附到地表,包括城市、农村的地面和农田。而能吸收固定它们的是仅是土壤。土壤是一个复杂的系统,它由固相、液相和气相物质及各种各样活的有机体组成。正常情况下多孔的土壤对这种很小的颗粒物有很强的吸附力,同时植被下方的土壤是一个完美的微生物群落,能将这些尘埃转化为土壤。

因为PM2.5在空气中形态近似于气态,同时地表面积足够大,可以将颗粒物在地表的吸附固定简化为气固吸附模式。

对应的模型为气固吸附模式,如在化工中常见的气固吸附模式(固定床吸附),如活性炭对气体的吸附,有成熟的公式(类似于亨利定律)。其中,吸附量由吸附剂体积、本身性能、污染物浓度及温度等决定,吸附量与温度成反比。颗粒物的吸收和逃逸是同时存在的,有着吸附平衡。

七、现象解释

所以通过这个工业中常见的模型来解释现在发生的现象。

地表的类型,如植物、混凝土、土壤都对细颗粒物有吸附作用,但能最终固定的只有有活性的土壤(含水、微生物),植物可以把细颗粒物吸附在树叶表面,如果我们将它吸附在肺中,但这种物质不是组成本身的必须物质,所以最终还要逃逸,所以绿色植物对细颗粒物仅可以起到暂时固定的作用。

细颗粒物能远距离扩散,在很大区域保持相近的浓度,同时很大的区域的地表有相同的吸收程度。不论是城市,农村,都是这种情况,但当这些区域对颗粒物的吸附量接近饱和时,颗粒物浓度就会明显增加。如同前几年我们的污染物排放量大,但大气环境还好,现在排放量减少,但已经明显恶化。

在很多国家PM2.5很低,则认为未远未达到吸附饱和,我们现在一年四季都认接近饱和,特殊情况下过饱和。一个明证,现在看我们在国外一些地方拍的照片,上面的树叶绿的不可思议,而在我们这什么时候上面都是一层灰。


另一个明证,很多研究证明雾霾的主要污染物有多环芳烃,而多环芳烃与土壤有机质呈显著相关性《北京城市土壤中多环芳烃的污染研究》。

空气中污染物浓度由地表吸附总量、当时污染物排放量、大气扩散层高度决定。

吸附系数与温度成反比,在冬天,以物理吸附为主,当地表温度开始下降,吸附总容量增大,这个过程持续,吸附的污染物总量增加。当温度开始回升(如这个春天),吸附容量变小,地表会向空气中释放多出的污染物,加上当前向空气中排放的污染物,空气中污染物浓度会升高很快。

2012年、2013年冬季气温偏高,也是出现污染物平均浓度高的一个原因。

也就是说,霾来源于过去污染物的积累,并在短期内的释放。

PM2.5与一氧化碳、湿度的相关性

统计空气监测数据,可以发现PM2.5与一氧化碳浓度、湿度有很好的相关性,所以对比它们的特性很容易解释一些现象。

一氧化碳与空气密度相近(略小于空气),极难溶于水。PM2.5的水溶性也很小,观察这张图也容易理解它的密度与空气接近。霾像大地上铺了层一氧化碳气体的棉被,不厚,但很大。

当大气中聚集了一定数量的污染物,太阳光照不透了,部分热量耗散在空气中,导致上层变热。地面的阳光更少了,地面冷、上边热,下边重、上边轻,变成了稳定的结构。

空气密度随湿度的增大而减小,当空气中湿度增大时,空气密度变小,一氧化碳更易下降到地面,在地表聚集,PM2.5也可能如此。形成稳定结构,加重污染,这也许可以解释PM2.5、一氧化碳与湿度也有很好的相关性。

当湿度不高,细颗粒物浓度不大时,扩散层较高,当湿度增大,空气密度变小,PM2.5开始聚集于近地表,形成稳定大气结构,造成严重的霾。

从上面看出气象条件造成霾的加重,但不会引起污染物总量的变化。

还有一种可能,由于地表温度的升高,引起地表水份的蒸发,造成已经固定的颗粒物解体,污染物大量释放。这种情况可能在国庆节前后表现明显,当时北方收割玉米,植被下土壤突然暴露,强烈阳光和紫外线破坏土壤结构,造成吸附、固定能力的大量下降,同时已经固定的细颗粒物释放。

细颗粒物来源于地表,就可以解释如此巨大的排放量,以及硫酸盐、硝酸盐、铵盐、重金属、微生物、有机质的问题。因为这些物质都是土壤的成份,包括常用化肥的成份。

在夏天,因为有适宜的水分和温度,土壤中有机质对颗粒物的吸附固定能力最强,同时大气扩散层最高,虽然物理吸附系数最小,但大气污染物浓度一般较低。

一场暴雨可以使空气中细颗粒物浓度下降很多,但天晴后,随着水份的蒸发,被洗落的细颗粒物又会回很快到空气中,这就造成整个夏天空气质量不能达到很好的一个原因(好天不过三)。

气象条件、地理位置的简化:太阳辐射的强弱,逆温层出现引起污染物扩散层的变化,污染物浓度的变化,但不会引起总量的变化。

八、黑色的土壤

富含有机质的土壤是吸收固定细颗粒物的主体。但现在这种土壤变少了,城市大面积的硬化,很少有裸露的土壤,更别说这种有生命力的土壤。国土中最大面积的农田则由于地下水下降,过量的化肥、化学杀虫剂、灭草剂,造成表面土壤中微生物的大量减少,土壤沙化,减弱了吸收颗粒物的能力。尤其在冬季,北方干旱、气温低,土壤微生物的活力是最低。未能固定的微尘开始聚集,一天又一天,一年又一年,一层又一层。

细颗粒物吸附固定能力,自然生长的生态系统大于农田,农田大于城市环境。但目前似乎北方没有多少自然保护区,没有几条生态河流,农田面积流失,同时质量堪忧。

空气中的霾是看的见的病,但深层次的原因是整个生态系统的破坏:地表水断流,地下水下降,对农田错误的耕作、种植、使用方式,整个土壤系统崩溃,还包括近年来农田数量的减少。

尘龄:

如果有可能,研究颗粒物从污染源出来到采集时的时间长度,绘制不同尘龄曲线,应更能说明问题。如可能的情况:

伦敦的或美国一些城市出现的和现在我们遭遇的本质一点不同是影响范围,人家只是一座城市,像是伦敦,仅是由于大量烧煤引起,出现的范围没有出现在郊区,或是农村。现在我们的霾不是北京的,不是石家庄的,不是河北省的,更大范围的,包括周边的不发达城市,农村,从卫星图上更能清楚的看到这一点。所以把目标仅放在一个城市,从能源角度来找原因是不大可能得出答案的。

如同大家所见,现在很少在城市、工业区见到冒黑烟情况,不断严格的标准确实使污染物排放减少很多,但历年来向大气排放的污染物还没有吸附固定,所以即便现在不排放也会有霾出现。

如同我们很多人儿时的记忆,地里的土一攥一个团,里面很多小虫子,干净,即便在冬天也有水份。但现在很多地方地下水下降大多(华北地区是最大的地下水漏斗区),近地表干旱厉害,微生物很难大量生存,所以土壤吸收固定颗粒物的总量在逐年下降。

一方面每年向环境排放的颗粒物在减少,但聚集在地表的总量还在增加,同时土壤吸收总量在减少,造成霾天气在恶化。

如果用一句话概况:污染物排放总量超出自然净化能力。

或是:持续积累的污染物总量仍超出不断减少的自然净化能力。

九、目标及展望

现在不应单以扩散模式为主,更要有吸附固定。以颗粒物最终去向为目的。不以城市为中心,以整个区域为目标。

环保意识、法规、标准从无到有,从宽到严。如烟尘排放,监测从原来的林格曼黑度(看冒黑烟的程度),到200,再到现在的50毫克/立方米的标准,个人认为已经到了这些设备净化效率的一个极限。

现在舆论,环保部门仍视企业为对手,认为所有企业有嫌疑,极力打击。如现在石家庄的行动。可重点是现在这个企业是问题的关键吗?同时还有社会、经济的影响,同时,这些措施已是强弩之末,霾天气依旧,社会会对环保失去耐心和信心。

又如“北京投入7600亿治霾资金中,治理大气污染的资金主要围绕清洁空气行动计划的实施投放,重点是压减燃煤、控车减油、治污减排、清洁降尘四个领域。”未将“固尘”放在第一位,降下来仍会再升上去的,更只针对北京,所以个人认为治不了标,更无法治本。

很多人记得,原来田里是农家肥,乡村每家院里总种很多树,院里水土保持的好,如同鲁迅的“百草园”。现在乡村有人还种树吗?在城市能听到蝉的声音吗(没有多少土壤可供它生存,有树林吗?),可曾闻到泥土的芳香?现在城市的树木很多是点缀,即便是夏天,看树叶上的灰土,就知道情况的复杂。

城市的绿化,一个成本高,二是面积太小(看卫星图就可以明白,城市在国土所占面积本来就不大,更何况绿地),应把重点放在森林、农田、水循环。理想的方向是建立国家级的环境生态规划,重建农田生态,建立大的生态区。

似乎一切的根源在此。没了地表水,地下水位玩命的向下降,地表植被无法自然生长,土壤沙化,无法吸收微粒。

总有人说缺水,但总不能理解如果这么大的国家有这种问题,那其它国家,大的,小的,人口多的却没有。

说水珍贵,有人说不能放走流过本地的一滴水。但水不是黄金,不能存在你家、我家,甚至一点一滴。上游来多少,你要向下游放多少,因为没人是貔貅,没有黑洞。我们只是利用,不是占有,水是介质。必须让它循环起来。

像南方山里的雨,早上太阳出来,雾气上去,下午雨下来,来回是存的那些水,不是靠外面吹进来的。

北方亦是如此,如同父辈记忆中的田野,沟壑纵横,鱼虾成精,冬夏如此,依靠自身的水循环,滋养万物。

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