漫谈 环境空气质量:雾、霾、PM2.5及晨练

发布时间:2012-05-10

  最近(2012年2月29日)国务院发布新修订的《环境空气质量标准》,并部署加强大气污染综合防治重点工作。新标准增加了细颗粒物(PM2.5)、和臭氧8小时浓度限值监测指标。下面我们来讨论环境空气质量的有关问题。
  人类生活在大气环境中,每天要吸入及交换大量空气(例10000立升),新鲜空气是保证健康的重要条件。饮水要澄清纯净水。空气要像森林中那样新鲜而纯净,可是由于人类的经济活动,污染了空气,因此空气中含有大量微尘,这就使近年来出现“PM2.5”及“霾”这两种名词,实际上这都是空气受污染而出现的词,两者是相关联的。
  PM的英文含义是Particulate materials、即颗粒物,PM2.5代表每立方米空气中,含有悬浮颗粒物(尺寸小于2.5微米)的数量。当颗粒物尺寸大于2.5,但小于10微米时 ,则称PM10。 PM100则是总悬浮颗粒小于100微米的数量。
  这些悬浮物的来源:粗颗粒常来于风沙、粉尘,细颗则来源于日常发电厂、化石燃料燃烧而形成的烟尘、汽车尾气经燃烧排放的残留物,及挥发有机物。人类每天燃烧大量煤、石油、和天然气,例如中国石油年消费4.5 亿吨,它会产生大量废气。  清净的空气是一片蓝天,但有时早上大雾灰蒙蒙的,远处看不清,这是雾。而霾是指空气中悬浮物数量较大,含水份低、使能见度小于10km,如果空气中微尘含水量> 80%则为雾,水分<70%则为霾、有时称灰霾。霾的本质是由于空气中微粒子浓度太高,它把污染物汇集起来。形成灰霾有三个条件:PM2.5量多、空气扩散环境差、一定量的水蒸气。不论雾还是霾,它对人都有害,因为悬浮在空气中微粒,尺寸很小、表面能量很大,表面活性极强、能吸附或都携带大量有害的固体或气体,它悬浮在空气中的时间很长,输送距离也远,吸入后是非常有害的。
  从743个气像台50年来的统计分析:上世纪80年代、城市每年灰霾天气仅几天到十几天,而后灰霾天气猛增,有些城市每年达100∼200天。2006年以来我国工业发展迅速,有毒物排放有增无减。
  右图表示对称街道峡谷内、污染物浓度等值线分布图,可以看出污染物主要分布在建筑物的背风面,在峡谷的右半部则浓度低。北京市道路两侧污染物人均吸入量是整体平均吸入量的5倍,使呼吸病例上升。

   图 对称街道峡谷内污染物体积分数等值线图

右图示北京某街道实测的风速和 CO浓度间的关系,表明当风速加大时,由于污染物与大气间扩散加剧,使污染物浓度减低。

  

图 风速与道路实测污染物质浓度的关系

图  街道大气和屋顶大气中CO质量浓度的日变化

  上图为街道大气和屋顶大气中CO浓度的日变化,可以看出每日7点开始、浓度急剧上升,至9时达峰值,而第二峰值出现在18时,表明机动车排放CO是街道空气污染的主要来源。

      
图 我国汽车保有量               图  北京市汽车保有量

  近年来我国工业化势头迅猛,汽车年产量世界第一。城市内机车保有量也快速增长(见上图)大城市的增长速度更快。上图为北京市近15年增长情况。车流量增长直接影响污染物的源强,由于街道上车辆拥挤,车辆处于频繁加速、减速、运行工况恶劣,更加大废气排放,使靠近道路附近的人群,受高浓度尾气污染。
  汽车尾气主要成分为HC、 CO、 NOx 、SOx,及泄漏的烃类化合物,而 NO2经光化学分解,会生成原子O,最终生成臭氧。从20世纪80年代开始,NO2取代SO2成为大气中主要污染物。研究显示:居住在交通繁忙道路傍的人群,患呼吸病及心脏病的比例明显高于不住在交通道路傍的人群。
  近20年我国的石油消耗以每年5%速度递增,今已成为世界上第三大石油消耗国(4。5亿吨/年),我国汽车油耗比理论油耗高40%,因而使废气排放量也大。交通拥堵使交通效率下降,增加城市发展成本,使城市受到巨大经济损失,也是城市经济发展的“瓶颈”,使GDP损失达到1—2百分点。
  大气中粒径大于10微米的颗粒,常常可以被阻挡在鼻外,而尺寸介于2.5∼10微米的颗粒,则将进入人类的上呼吸道,有些为鼻腔内绒毛所阻挡,而<2.5的细粒将易吸入并进入支气管,进入肺泡的微尘可以迅速的被肺血管吸收,未经肝脏解毒,直接进入血液循环影响全身脏器。人体的生理结构对PM2.5缺乏过滤及阻挡能力。这类微尘妨碍肺部呼吸时气体的交换,会引发哮喘、支气管炎及心血管疾病,某些重金属微尘溶入血液,则对健康危害更大。微尘的表面积(单位重量的比表面很大)有强大吸附能力,还可能吸附并携带病毒和细菌,传播疾病。当空气中PM2.5年均浓度达到35úg/m3时,人类的死亡风险将比10úg/m3时增大15%。

图  PM2.5 、 PM2.5∼10和 PM10在人体呼吸系统中的沉积图

  灰霾天气不是大自然产物,而是工业文明带来的后果,它带有致癌物。我国吸烟者近年来未大量增加,但肺癌患者近30年增加45.6%,所以呼吸病专家 钟南山讲:灰雾霾天气猛于尼古丁。如果吸入有害气体,肺部成了“吸尘器”,生活在这种恶劣气中人们会:憋气、咳嗽、头晕、乏力、犯困、反胃、恶心、易怒。
  人们不可轻视香烟,一支香烟就可能使室内的 PM2.5值翻一番。世卫组织的数据:香烟烟雾中含有超过上千种化学物质,及上百种已知的有害物质,69种已知的致癌物质。从电镜可以观察到:吸烟者呼吸道的绒毛系统功能己受损害、纤毛稀疏脱落,它不能够通过纤毛摆动及粘膜下分泌粘液,粘附有害微尘,并及时排出。这样最终就会使吸烟者肺泡结构遭破坏,形成肺气肿、呼吸衰竭或肺癌。所以烟草是“致病于无形、致病于长远”。 美国疾控中心还明确指出,二手烟可以引起肺癌、哮喘、心脏病、呼吸道疾病以及婴儿猝死综合征等多种疾病。 吸烟对己、对人、健康都有严重威胁,这种人为的毒雾应引起人类高度重视。
  近几十年城市化进程加快,人口爆涨,会增大大气中温室气体的浓度,城市化会改变土地利用情况。森林、草地等是地球表面的复盖保护层,可大量生产氧气、吸收 CO2,调节气候,但人类开荒、种植、砍伐林木,建设城镇,使土地的覆被不断改变,使自然界吸收CO2能力减弱。而人口暴涨,也使人类消耗更多化石能源,从而排放更多废气。城市化进程也使早年存在于城乡交接区的绿化缓冲区减少,使污染物不易扩散消失。
  大气环境是人类赖以生存的可贵资源,世界气象组织发布2010年温室气体公报:“人类自从1750年工业化过程开始以来,大量使用化石燃料、毁林及改变土地用途,使大气中CO2浓度增加39%,甲烷增加158%,氧化亚氮增加20%,灰霾天气使农业减产25%”。 另外欧美的工业发展使大气中SO2浓度增大,长距离越境污染飘至非洲,改变大气降水情况,导致非洲百年不遇的大饥荒[8]。人类的经济发展突飞猛进,但随之出现了各种环境问题,经济发展不能以污染大气为代价,人类决不能毁灭在自己创造的文明之中。人与自然应和谐相处。
  美国航天局在2010年曾公布2001—2006年全球的空气质量地图,结果表明:浓度最高的红色区为北菲、中国、及东亚。中国华北、华东和华中,PM2.5密度接近80μg/m3,已超过撒哈拉沙漠。世界卫生组织认为PM2.5小于10是安全值,而我国上列地区为50∼80,中国城市空气质量指数、如果加入PM2.5指标,则空气质量达标的城市将从目前的80% 达标,降至20%达标。
  下图为全球PM2.5空气质量分布:

  图中:颜色由深蓝,浅蓝,到黄色,暗红,代表着PM2.5的浓度 (单位μg/m3)越来越高,地图显示了2001年至2006年PM2.5的平均值。图表明,全世界超过80%的人口正在呼吸着严重污染的空气,污染指数超过了世界卫生组织给出的最小安全值,即每立方米10微克。我们深吸一口气,就算空气看起来纯净透明,但你已经吸入了数以百万计的PM2.5颗粒。虽然这种颗粒人的肉眼不可见,但它在地球的大气层中却无处不在。中国东部和印度北部,有很多没有安装过滤装置的发电厂和工厂,在燃烧煤的过程中,产生了盈千累万的硫酸盐和烟尘微粒。机动车尾气也制造出大量的硝酸盐和其他微粒。此外,还有农作物废弃物焚烧和柴油发动机燃烧产生的煤烟颗粒,科学家们称之为黑碳物质。人为产生的颗粒常占据主导地位。人们天天呼吸着这些空气,同时这些粒子也让医学专家最为头疼。这是因为,较小的PM2.5颗粒可以穿透人体呼吸道的防御毛发状结构--鼻腔中的鼻纤毛。这些鼻纤毛在人体结构中起到筛选较大颗粒的作用。一些细小的颗粒能深达人体肺部,有些超细颗粒可以渗透进血液,从而引发许多疾病,包括哮喘,心血管疾病,支气管炎、、等。美国心脏协会估计,仅在美国,被PM2.5颗粒污染的空气就导致每年约6万人死亡。
  2012.2.29我国环保部发布了最新“环境空气质量标准”增设了PM2.5及臭氧的平均浓度限值、收紧了PM10的浓度限值,更新了SO2、NO2、O3及颗粒物分析方法,空气污染指数的技术规定。
  监测点应给出PM2.5、 PM10、SO2、 NO2、 O3、 CO、六项污染物浓度。但目前的指标仅仅与世界卫生组织第一阶段指标接轨。

  右图列出各省区全面检测时间表。

  新标准中增加了臭氧的限制量,因为臭氧对眼睛、呼吸道、肺功能均有刺激作用,较高浓度的臭氧对植物也是有害的。近地面大气臭氧层将成为影响我国华北地区空气质量的主要污染物。空气中臭氧浓度引起人类反应的浓度为0.5-1ppm,时间长了会感到口干、、等不适, 浓度在1-4ppm会引起人员咳嗽,原因就在于它是强氧化剂,它几乎能与任何生物组织反应。当臭氧被吸入呼吸道时,就会与呼吸道中的细胞、流体和组织很快反应,导致肺功能减弱和组织损伤。对那些患有气喘病、肺气肿和慢性支气管炎的人,臭氧的危害更为明显。
  下图列出上海市PM2.5微尘污染,主要出自机动车船的移动源。

  目前上海已有24个监测点,2012年3月5日及6日浦东张江己首次发布PM2.5监测结果:
  2012.年3月.5日.         每立方米118微克
  2012.年3月.6日             150-200微克(上午九时达到201微克)
  环境空气质量标准规定限值:    每立方  75微克
  以上数值说明上海市PM2.5数值已超标,最高近三倍,空气质量为“中度污染”
  上海市拟在今年六月份争取正式公布监测值。
  PM2.5值的高低,反映出城市环境综合治理的结果,它要求政府、企业、传媒及市民一齐行动起来,多作贡献,市民应该选择“低碳”出行方式:多步行、自行车、或地铁。


大气质量监测仪

  下表列出:全国年均PM10污染轻重程度的排名(单位μg/m3)


  关于老年人的晨练
  老年人习惯于早晨锻练,但是应当注意,在雾霾天气决不宜锻练,上面已经指出:雾滴中含有许多有害物质,锻练时必将大量吸入有害物,越是活动吸入越多,不但起不到健身效果反而有相反效果。晨练不可过早,这时气温低,易诱发感冒,支气管炎急性发作,心绞痛及脑卒中,或心肌梗等疾病。最好在太阳升起后进行,并注意保暖。冬季日出前,地面温度低,空气中CO,CO2等污染物含量高,在这种环境下活动,吸入过多会出现:乏力、头晕、喉炎等、危害身体健康。对于老人心脑血管病多发病于早晨6-8时,冬天早晨为心脑血管病多发期。运动量不宜过大,另外晨锻练时不宜空腹、因为老人新陈代谢率低,空腹易引发低血糖,最好先饮少许糖水、豆浆、或牛奶。
  小结:人类的经济活动,已经影响了环境气体质量,并且反过来危害了人类自己。应当充分认识到这一点、并引起警惕,要提高空气质量,最根本的应从道德上加强保护环境意识,从法律上规范人的行为,人人重视,全民动员,自觉为改善空气质量而努力,争取能在清净的空气中工作和生活。

  参考资料
1 孙德智,城市交通道路环境空气质量监测与评价,中国环境科学出版社2010。4
2 赵敏舒,50件关于保护天空的小事,天津科技出版社,2011。1。
3安亨模, 崔秉国, 李荣,窒息的地球-大气污染、浙江教育出版社,2010。9
4 原英群, 刘宏程 全球污染--跨国界话题、广东世界图书出版公司
5魏复盛,空气污染对呼吸健康影响,中国环境科学出版社,2001。6。
6张远航, 邵敏, 俞开衡,机动车排放-环境影响及控制,化学工业出版社2004。7
7唐孝炎,大气环境化学,高等教育出版社, 2006
8刘子波等,生存与毁灭:地球在哭泣,世界图书出版公司,2010.1.
9潘珏,“关注PM2.5,关注烟草毒物”,新民晚报2012年 3 月12日