煙霧箱裝置在PM2.5機理研實驗究的重大應用

大氣環(huán)境復雜多變，溫度、濕度、光照、云的存在與否、各種污染物成分及濃度等都會可能影響到大氣化學反應過程，二次污染物的形成快慢及化學組成。PM2.5中很大部分是二次形成的，比如硫酸鹽及一部分有機物。為了研究大氣化學反應機理及產(chǎn)物或者不同組合污染物的健康效應，我們需要用煙霧箱設施提供可控的實驗條件。

煙霧箱設施有兩種：室外煙霧箱及室內(nèi)煙霧箱，兩者重要的區(qū)別是光源，一個是自然太陽光，另一個是人工光源，后者很難達到真實模擬太陽光。太陽光是大氣化學反應的原始驅(qū)動力，有些在太陽光條件下的光化學反應不一定能在人工光源條件下定性定量地反演出來。但室內(nèi)煙霧箱有可以控溫控濕的優(yōu)勢。

國外早在上世紀70年代，建立了一大批煙霧箱實驗室，開展大量實驗研究。煙霧箱是研究PM2.5形成和演化的重要工具，它可以在接近真實大氣環(huán)境條件下，探索眾多大氣污染物的化學反應機理，建立并驗證了眾多污染和控制模型，為研究霧霾形成理論與治理技術提供可靠的科學依據(jù)。它能夠人為控制反應物及反應環(huán)境，具有參數(shù)可控以及實驗可重復性等優(yōu)點，從而將特定的化學反應與實際大氣的復雜多變區(qū)別開來。

國內(nèi)煙霧箱實驗室并不多，體積也大小不一，主要有北大(1.2m3)，清華(2m3)，中科院生態(tài)環(huán)境中心(30m3)，中科院廣州地化所(30m3)，中科院化學所(雙煙霧箱)，中科院安光所(雙煙霧箱)，復旦大學(5m3)，中國環(huán)科院(56m3)等。然后，煙霧箱大的質(zhì)疑是實際大氣復雜多變，怎么可能進行模擬？與真實的大氣反應相比，實驗模擬的結(jié)果可靠嗎？比較出色的研究是近北大胡敏課題組剛剛在PNAS發(fā)表的黑碳對空氣質(zhì)量和氣候變化影響的定量化研究(都知道黑碳對環(huán)境和氣候有影響，以往研究大都是定性的結(jié)論)，題目"Markedly enhanced absorption and direct radiative forcing of black carbon under polluted urban environments"，主要是基于他們建立的準實際大氣煙霧箱，大的創(chuàng)新點在于煙霧箱的設計，是真正能夠?qū)嶋H復雜多變的大氣與可控反應進行聯(lián)系，從而揭示了不同地域(北京、休斯頓)黑碳對霧霾和氣候雙重作用機制的時間尺度。由于以往的模型計算不確定性較高，他們的定量化結(jié)果可以為氣候輻射模型計算提供更準確的參數(shù)化方案。

此外，為了全面認識PM2.5的形成和演化過程，不光要設計眾多對照性實驗，還要盡可能的全面、在線表征PM2.5與氣態(tài)污染物的各種理化性質(zhì)，比如顆粒粒徑分布、化學組成、光學特性、吸濕性等等，因此所涉及到的儀器較多，基本配備的儀器至少是1000萬以上，并且一些儀器在專業(yè)性要求非常高。

總的來說，煙霧箱對于認識霧霾的形成機理是很好的一種手段，但是畢竟是基礎研究，需要科學家們大量的實驗積累，由于實際大氣的復雜、多變，其認識過程無意是漫長的。同時，煙霧箱實驗與觀測結(jié)果、模型計算形成閉環(huán)，各種方法不斷相互驗證，才能真正認識霧霾的形成機制。

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