浅谈PM2.5与其监测

PM2.5Page2PM2.5PM是英文particulatematter（颗粒物）的首字母缩写。PM2.5俗称的细颗粒物是对空气中直径小于或等于2.5um的固体颗粒或液滴的总称。这些颗粒如此细小，肉眼是看不到的，它们可以在空气中漂浮数天。人类纤细的头发直径大约是70um，这就比最大的PM2.5还大了近三十倍。Page3PM2.5对健康的危害PM2.5主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困难、降低肺功能、加重哮喘、导致慢性支气管炎、心律失常、非致命性的心脏病、心肺病患者的过早死，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。关于PM2.5死亡风险的数据源自2002年发表于《美国医学会杂志》的一篇基于长达16年的随访数据的论文。上面指出如果空气中PM2.5的浓度长期高于10微克/立方米，死亡风险就开始上升。浓度每增加10微克/立方米，总的死亡风险就上升4%，得心肺疾病的死亡风险上升6%，得肺癌的死亡风险上升8%。这意味拿吸烟做个比较。吸烟可使男性得肺癌死亡的风险上升21倍（也就是上升2100%），女性的风险上升11倍（1100%）；使中年人得心脏病死亡的风险上升2倍（200%）。和吸烟一比，PM2.5的危害就显得非常小了。如果吸烟都没有让你感到恐惧，那你就不用担心眼下PM2.5超标对健康的影响了。Page4美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM2.5平均值的地图。在这张图上红色（即PM2.5密度最高)，出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度，指数甚至接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。在这张2001-2006年间平均全球空气污染形势图上，全球PM2.5最高的地区在北非和中国的华北、华东、华中全部。全球分布Page5PM2.5的监测目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有三种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这三种方法的第一步是一样的需要把PM2.5与较大的颗粒物分离，区别在于测定分离出来的PM2.5的重量。将PM2.5直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。值得一提的是，滤膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜。只要滤膜对于0.3um以上的颗粒有大于99%的截留效率，就算是合格的。损失部分极细小的颗粒物对结果影响并不大，因为那部分颗粒对PM2.5的重量贡献很小。Page6《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》重量法：是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。对于PM2.5的采样器来说，2.5um是一个踩在边线上的尺寸。直径恰好为2.5um的颗粒有50%的概率能通过采样器。大于2.5um的颗粒并非全被截留，而小于2.5um的颗粒也不是全都能通过。例如，按照《环境空气PM10和PM2.5的测定重量法》的要求，3.0um以上颗粒的通过率需小于16%，而2.1um以下颗粒的通过率要大于84%。Page7将PM2.5分离出来的采样器在抽气泵的作用下，空气以一定的流速流过时，那些较大的颗粒被截留，PM2.5则能绝大部分随着空气顺利通过。这和发生在我们呼吸道里的情形是非常相似的：大颗粒易被鼻腔、咽喉、气管截留，所以细颗粒则更容易到达肺的深处，从而产生更大的健康风险。Page8采样器Page9EPA认证测定方法重量法需人工称重，程序繁琐费时。如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。β射线吸收法：将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。美国大使馆那台知名度很高的仪器依据的就是此原理。微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。Page10PM2.5与能见度虽然空气中不同大小的颗粒物均能降低能见度，不过相比于粗颗粒物，更为细小的PM2.5降低能见度的能力更强。能见度的降低其本质上是可见光的传播受到阻碍。当颗粒物的直径和可见光的波长接近的时候，颗粒对光的散射消光能力最强。可见光的波长在0.4-0.7微米之间，而粒径在这个尺寸附近的颗粒物正是PM2.5的主要组成部分。理论计算的数据也清楚地表明这一点：粗颗粒的消光系数约为0.6平方米/克，而PM2.5的消光系数则要大得多，在1.25-10平方米/克之间，其中PM2.5的主要成分硫酸铵、硝酸铵和有机颗粒物的消光系数都在3左右，是粗颗粒的5倍[。所以，PM2.5是灰霾天能见度降低的主要原因。Page11Page12利用能见度来测定PM2.5大气能见度的好坏是受大气对太阳光的散射和吸收的消光效应制约的。能见度降低的主要原因有两个：一是物体和背景两者之间的对比度减少,二是由于细粒子和气态污染物对光的吸收和散射，使来自物体的光信号减弱。通常光衰减的范围是用bext/m测量和表示的（用530nm或550nm作为可见光区的基准波长）。例如，bext=a1×10-4/m表示光移动距离每1米，光信号的衰减a0.01%。由于可见距离Vd（m）通常规定是当来自物体辐射只剩2%时的距离，因此，Vd可以由下式计算：Vd=3.91/bextPage13根据光学原理得出光的衰减，消光系数bext的构成通常用下式表示：bext=bsp+bsw+bsg+bap+bag式中：bsp是由细粒子对光的散射构成的（通常在城市环境中是光衰减的最大成份，并且与气溶胶细粒子物质有高相关）；bsw是由空气湿度引起的光散射（发现当相对湿度高出70%时变得很重要）;bsg是清洁空气产生的瑞利散射（在海平面它是0.13×10-4/m）;bap是由细粒子产生的光的吸收(通常是光衰减的第二大因素,并且主要是烟灰(煤烟)粒子);bag主要是NO2气体对光的吸收。bag（10-4/m）已经发现与NO2浓度（ppm）有关bag=3.3[NO2]原则上，只要给出了空气中粒子的粒径分布和化学成份的详细资料，气溶胶对能见度的影响就可以预测Page14激光雷达探测气溶胶用于探测大气气溶胶和云的激光雷达技术主要是米散射探测技术，使用这种技术的激光雷达被称为米散射激光雷达。以激光为光源（激光波长一般为um量级），探测激光与大气气溶胶相互作用的后向散射回波信号，利用适当的数据反演方法从回波信号中获得气溶胶后向散射和消光特性。利用偏振探测原理获取的气溶胶消偏振特性用于分析气溶胶的形状因子，从而区分沙尘暴和其它气溶胶粒子。利用光散射仪测定PM2.5，至少有30-40%的不确定性，但是此方法相比前3种方法无需进行颗粒分离，全天时全高程即时迅速。Page15Mie散射的特点是散射粒子的尺寸与入射激光波长相近或比入射激光波长更大，其散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量的交换，是弹性散射。相对其他的光散射机制而言，Mie散射的散射截面最高，因此Mie散射激光雷达的回波信号通常较强。当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的强弱与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射光可由激光雷达探测到，通过求解米散射激光雷达方程就能够反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。Page16Raman_Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性Page17信号处理国内广州兰州等地利用激光雷达对大气垂直分布进行检测分析，并探讨求解方法。对Mie散射激光雷达而言,常用的求解方法有Collis斜率法、Fernald方法以及Klett方法。Collis方法很简单，但该方法应用的前提条件是大气均匀分布，在实际大气中，气溶胶与云、雾等分布经常出现较大的变化，大气并不是均匀分布的。Klett在Collis的斜率法的工作基础之上，进一步假设后向散射系数与消光系数存在一指数变化关系。该方法几经研究改进以后，成为广泛应用的比较成功的算法。第三种方法是Fernald方法，是国内相关学者普遍采用的算法。Fernald将大气看成2部分:空气分子与气溶胶，认为大气消光系数(或后向散射系数)是空气分子的消光系数(或后向散射系数)与气溶胶消光系数(或后向散射系数)的和，Fernald就是在此基础之上给出了Mie散射激光雷达方程的解，但应用Fernald方法来求解激光雷达方程时,气溶胶消光后向散射比是重要的误差产生源。依赖于气溶胶粒子的尺度谱分布与折射指数,其变化范围很广，很难精确确定其垂直分布廓线。好在有很多学者在确定的领域做了不少研究工作，该方法也成为普遍采用的算法。Page18存在问题Mie散射激光雷达主要用于探测30km以下低空大气中气溶胶和云雾的辐射特性，可以监测此高度内的PM2.5剖面浓度空气中的颗粒物浓度越高，对光的散射就越强。但光的散射与颗粒物浓度之间的关系是很不确定的，受到诸多因素的影响，例如颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布，而这些都取决于污染源的组成。这意味着光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都可能在变，需要仪器使用者不断地用标准方法进行校正。比如100m以下的近地表PM2.5剖面浓度测量颗粒物后向散射光太强，超过正常激光雷达的光学信号范围。当然，可以通过定制方案达到测量100以内PM2.5剖面浓度效果。