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空气污染物是如何测量出来的?


发布时间:2018-10-16


  每当我国空气质量“红黑榜”发布并引发热议时,人们总会更加关注空气质量指数(AQI)。

  AQI替代原有的空气污染指数(API),已经3年多了。相比原先只监控二氧化硫、二氧化氮和PM10三要素的API,AQI监测力度更为严格,污染物指标更多。

  那么,究竟AQI是如何测量和计算的,又与人们常说的雾-霾有何关系呢?

  AQI是如何确定的?

  AQI是定量描述空气质量状况的无量纲指数,主要是将二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、一氧化碳、臭氧等六项污染物浓度值换算成相应的指数。

  每一项污染物的空气质量指数又称空气质量分指数(IAQI)。其中,IAQI超过50的最大项为首要污染物;超过100时,为超标污染物。AQI是首要污染物指数的数值,是定量描述空气质量状况的无量纲指数,主要将二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、一氧化碳和臭氧等6项污染物浓度值换算成相应的指数。

  这是因为,环境监测部门每天发布的空气质量报告包含各种污染物的浓度值,但人们很难从这么多抽象的浓度数据中,判断出到底当前的空气质量处在什么水平。而AQI解决了这一问题,将大气污染物浓度折算成统一的指数,并取其中首要污染物指数用以标示空气质量。AQI指数越大,级别越高,说明污染越严重,对人体健康的影响也越明显。

  实际上,大气污染物的种类很多,目前引起人们注意的就有100多种。如二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、颗粒物等一次污染物,硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧等通过化学反应或光化学反应形成的二次污染物。这些污染物在达到一定浓度时,会对环境及人体健康产生不利影响。

  目前,我国仍是以煤炭能源为主的经济结构,同时机动车排放量显著增加,致使二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、一氧化碳及臭氧成为大气中最主要的几种污染物。它们也是对人体健康影响较大、较广泛的几种污染物,机理研究及监测手段都相对完善,因此,成为AQI的监测指标。

   

  6种污染物如何观测?

  目前,6种污染物有不同测量原理,可使用不同仪器进行测量。目前我国主要采取基于滤膜采样称重和连续自动测量两种方法。

  据中国气象局气象探测中心研究员林伟立介绍,对于气体污染物来说,在连续自动测量方法中,通常使用光学和化学测量方法,对大气样本中特定的物质产生物理信号,再将这些物理信号和不同污染物浓度进行对应,从而得到监测浓度。

  具体来说,特定波长的紫外光常用来测量臭氧浓度,在光通过含有臭氧的空气后,根据光的衰减进行换算;紫外荧光法常用来测量二氧化硫浓度,当二氧化硫分子从激发状态恢复到基态时,可以释放荧光,通过测量荧光强度便可知其浓度;氮氧化物则使用化学发光法,使其与臭氧发生化学反应而发光,通过测量光强推断浓度;一氧化碳则用特定光波的红外光进行测量。

  对于颗粒污染物来说,在连续自动测量法中,目前环保部门主要采用基于贝塔射线衰减和振荡微天平原理的测量仪器,其中基于贝塔射线法的监测仪是用C14作为贝塔射线源,在通过采样滤膜后,监测其衰减量来算出颗粒物的质量;中国气象局观测站网除了使用贝塔射线法和振荡微天平法的测量仪器外,还使用基于激光散射粒子谱测量原理获得PM10、PM2.5的方法,即通过粒子的光散射原理来测量粒子的大小和个数,并得到粒子谱分布特征等。

  但是,不可否认,每一种测量方法都有其自身的缺陷和误差。即使是滤膜采样称重法(当前国内外统一认为这是测量气溶胶质量浓度的参考标准方法),在从取样到称重这一过程中因环境改变等因素也会造成误差。

  “目前,发布的AQI是基于环保部门的监测数据而换算的。但人们逐渐意识到,天气条件对污染物的扩散、输送有至关重要的影响,环境气象越来越受到人们重视。”中国气象局气象探测中心研究员颜鹏说。

  气象和环保部门都具有监测6种污染物的能力和一定程度的站网布局。环保部门以污染物对人体健康的影响及排放源监测为出发点,在布设监测仪器时主要考虑人群分布、人类活动范围以及污染排放源区等;而气象部门的监测更多以环境气象预报、气候变化、污染物输送等方面为出发点,依托现有气象站进行布局。

  “如上海PM2.5观测站要考虑西北到东南的输送路径,而臭氧则要考虑西南到西北的输送路径。”林伟立说。

   

  眼睛和鼻子会欺骗你吗?

  人们往往以为天空灰蒙蒙、空气刺鼻就意味着AQI爆表,看起来晴朗、不觉得呛鼻则意味着没有污染?实际上,有的时候,眼睛和鼻子可能欺骗了你。

  在AQI监测的六种污染物中,PM2.5等颗粒物是造成能见度降低,让天空看起来灰蒙蒙的元凶;臭氧有一种刺激性气味(如复印室里的呛鼻气味);而其他污染物在可见光波段对光的吸收和衰减效应很小,对能见度几乎没有影响。

  这意味着,二氧化硫、一氧化碳及一般浓度的二氧化氮(只有在极高浓度时才会影响能见度,呈现红棕色)无色无味,仅凭眼睛和鼻子是无法识别的。这也可以解释为何有时天空已放晴,但AQI仍显示“污染”。

  这同时意味着,AQI和人们常说的霾并不是一回事。霾是一种天气现象,通过能见度大小进行定义。在较干的空气环境下,大气中PM2.5、PM10等颗粒物的消光作用,是造成能见度降低的主要原因。

  因此,只有在PM2.5、PM10(主要是PM2.5)较高时,天空才会呈现灰蒙蒙的颜色。

  此时的AQI指数和肉眼所见也不完全是线性对应关系。湿度不同会使颗粒物能见度差异很大。“此前的研究显示,污染地区当空气湿度达80%以上时,颗粒物吸湿增长对光的衰减(即消光作用)比干的粒子强两倍多。”颜鹏说。因此,在AQI指数相同时,如果空气干燥,能见度可能有10公里;而在湿度达到80%以上时,能见度就只有5公里或更低了。

  值得一提的是,在我国现阶段,当AQI爆表时,PM2.5常成为首要污染物,但有时则是光化学污染所带来的臭氧。因此,在绝大多数情况下,人们对AQI的直观感受还是很明显的。

  (来源:中国气象报)


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