城市空气污染，全球性的问题

人类历史上曾发生过多次严重的空气污染事故，如1943年美国洛杉矶光化学烟雾事件、1952年英国伦敦烟雾事件、1961年日本四日市哮喘事件等。2016年5月，世界卫生组织（WHO）报告称超过80%的城市空气污染水平高于其推荐的健康限度，在中低收入国家这一数值竟窜至98%。空气污染物包括粉尘、灰尘、烟灰等组成的可吸入颗粒物，它们还有个“耳熟能详”的名字——PM₁₀（空气动力学当量直径≤10微米的颗粒物）和PM_2.5（空气动力学当量直径≤2.5微米的颗粒物）。中国近些年饱受可吸入颗粒物的困扰，2016年末至2017年初笼罩全国大部分地区的重度雾霾天气，让多个城市的空气质量指数（AQI）爆表。更糟糕的是，颗粒物只是空气污染物的一部分，其他污染物还有氮氧化物、硫氧化物、臭氧、一氧化碳等。城市空气污染显然是一个日益严重的全球化问题，不同国家所面对的问题还有所不同。

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发达国家的苦恼

尽管现在发达国家的空气质量整体较好，但不少城市也逃脱不了空气污染的阴影。例如，英国空气中可吸入颗粒物的浓度一般都符合欧盟标准（PM₁₀ 40 μg/m³，PM_2.5 25 μg/m³），但二氧化氮（NO₂）水平却经常超标，屡次登上新闻头条。欧盟对于大气中NO₂的限度是40 μg/m³，2015年英国有40%的地区超过了这一限度。此外英国立法机构还规定每年NO₂浓度超过200 μg/m³的时间加在一起不能超过18小时，而这条规定近些年在伦敦屡次被违反。2016年，伦敦多条街道的NO₂浓度在五天之内就突破了这一限制，而2015年，Oxford Street突破这一限制仅仅用了四天。这种情况让英国政府陷入了多起环保诉讼，包括近期诉至英国最高法院的一次官司，这些官司也使英国对空气污染的公众意识进一步增强。除了英国政府，多个欧洲国家（比利时、捷克、德国、波兰等）政府也面临类似问题。

国内民众和组织的诉讼只是一方面。2014年，欧盟委员会对外宣布，决定对英国治理空气污染不力采取法律行动。英国因此成为第一个因为空气质量未达标而被欧盟采取法律行动的国家，面临每年超过3亿欧元巨额罚款的风险。现在英国已经脱欧，对英国人来说可谓机遇与挑战并存，英国既有可能设定比欧盟标准更严格的法律，也有可能以脱欧为借口，将标准降低。

实时空气监测系统

伦敦的一个空气监测站。图片来源：Mike Phillips/Alamy Stock Photo/Chemistry World

为监测空气质量是否达标，很多国家都安装了空气质量的实时监测网络，英国也是一样，现在由位于国王学院的环境研究组管理全英的300多个监测点。当年的“雾都”伦敦大大小小33个行政区域，每个都安装了1个到6个空气质量分析仪。这些监测点共同组成了伦敦空气质量网LAQN（London Air Quality Network）的一部分。 LAQN每15分钟采集一次数据，每小时出一次报告，然后在网上公布数据。这些数据除供立法机构参考外，也用于科研，指导户外活动以及对空气污染敏感人群如哮喘、慢阻肺病患者的生活工作等。

解决一个问题，可能造成另一个问题

英国的NO₂超标与柴油车不无关系，因为比汽油车排出更少的CO₂，2001年英国对柴油车推出税收激励政策，结果使柴油车的比例大增，从上世纪的九十年代的5%上升至今日的40%左右，欧盟也有类似的情况。结果，柴油车产出更多的氮氧化物NOx。

柴油发动机的碳排放量更少，曾一度认为比汽油发动机更好，但也带来了氮氧化物排放问题。图片来源：iStock/Chemistry World

最近十来年柴油车开始配备氧化催化剂来处理尾气，它们对付还原型污染物如CO、碳氢化合物等很有效，但存在一个副作用，会将NO氧化为NO₂，这是排放NO₂增加的主因。有些学者认为，NO₂带来的健康威胁可能比NO更大。

2015年大众汽车的排放门丑闻则进一步暴露了柴油车的痛点，大众汽车在日常行驶时排放的氮氧化物要比测试时的数据多得多。现在也有一些技术能够真正降低柴油车的氮氧化物排放，不过已有的柴油车还要在路上跑十来年，新技术的效果要等一些年才能显现。相较之下，现代的汽油发动机使用三效催化剂，排放物已经大幅减少。

还有近几年出现的弹性燃料（flex-fuel）汽车（指既可以使用纯乙醇、汽油，也可使用二者混合物的汽车），尽管可能增加生物燃料的使用，但也有增加空气污染物（例如二次有机气溶胶）排放的风险（Atmos. Environ., 2015, DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.07.006）。

除了新技术的使用，车辆的驾驶条件有时也会增加污染物的排放。在大城市堵车十分常见，车速低且不断的启动和停止，会降低尾气处理催化剂的效果。即使汽车尾气能够减少，车辆还有其他方式会造成空气污染，如刹车片和轮胎磨损、路面扬尘等引起的颗粒物等。

污染源解析

现在颗粒物污染研究最棘手的部分已经研究清楚，能分辨出不同粒径颗粒物的来源。为监管方便，可以将这些颗粒物合在一起统计，科研人员还是有必要把它们区分开来。每一种污染源都有特定的碎片或组分，对高分辨质谱进行数据分析，就能确定每个污染源的组分，这就是污染源解析。

瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）的Urs Baltensperger是空气污染领域的知名学者，也是大气化学实验室负责人。他们的研究有助于监管机构决定提高空气质量的最佳方式，现在他和美国科罗拉多大学的Jose-Luis Jimenez在研究气溶胶——液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。由于气溶胶粒子比气态分子大而比粗尘颗粒小，因而它们不像气态分子那样服从气体分子运动规律也不会受地心引力影响而沉降。气溶胶中的颗粒物（人造源和自然源），成分既有无机物（如硫酸铵、金属和铝氧化物等）也有有机物（如萜烯等）。气溶胶可分为一次气溶胶和二次气溶胶，一次气溶胶由污染源直接释放到大气中的污染物颗粒组成，如土壤粒子、海盐粒子、燃烧烟尘等；二次气溶胶中的颗粒物由大气中的某些污染物组分（如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物、挥发性有机化合物等）通过光化学反应或与大气其他组分之间的反应转化而成，如二氧化硫转化为硫酸盐等。分析这些污染物的来源并不容易。

2014年Nature 刊登了2013年1月中国东、南、西、北四个典型城市上海、广州、西安、北京的空气污染源分析（Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13774）。污染源除了熟悉的交通运输、煤炭燃烧、生物质燃烧、烹饪和粉尘外，更重要的是二次气溶胶的形成，这是大范围严重雾霾的重要原因，贡献了PM_2.5的33%-77%，而二次有机气溶胶和二次无机气溶胶的危害性相差不大。2014年6到8月，中国华北平原南部农作物田间焚烧导致当地PM_2.5增加34%，这些粒子受风作用甚至影响到北京（Atmos. Chem. Phys., 2016, DOI: 10.5194/acp-16-9675-2016）。

北京、上海、广州、西安城市污染的化学组分和来源。图片来源：Nature

健康影响

空气污染增加了多种疾病的风险如呼吸系统疾病、心脏病、中风和癌症。2016年2月，全球疾病负担组织报道约550万人因空气污染死亡，WHO报道5岁以下儿童死因有10%与空气污染相关。颗粒污染物还可能侵入大脑引起神经退行性疾病如阿尔兹海默症、痴呆症等，目前可能的途径有（1）颗粒物进入鼻腔沿着嗅球进入大脑，直接导致老年斑和其他问题；（2）颗粒物影响鼻黏膜上皮的排列，引起炎症从而损伤大脑；（3）颗粒物进入肺部并产生炎症，释放损伤大脑的细胞活素（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aal0656）。

颗粒物引起大脑问题的可能途径。图片来源：Science

现在不同种空气污染物造成的健康影响还没有彻底研究清楚，监管机构一刀切的按照颗粒粒径来划分，这是否合理还值得继续探讨，因为颗粒尺寸一样并不意味着毒性相同。我们现在只知道空气污染物增加会导致严重的健康风险，至于具体原因仍不得而知。因此，研究气溶胶中特定物质对人类健康的影响也是Baltensperger课题组的兴趣所在，他的研究组在气室中模拟大气化学进程，然后将不同阶段的气溶胶和肺细胞共同培养，测试气溶胶对肺的影响。

如果能够清楚认识到哪种污染物从哪里来，如何形成，对人体有什么样的影响，这就能帮助监管机构制定最合理的空气政策，在经济快速发展和空气污染防治之间找到平衡点，并最终促进人类健康。

本文部分内容编译自：

https://www.chemistryworld.com/feature/urban-air-pollution/2500224.article