当前世界环境

介绍

悬浮在空气中的固体或液体微粒称为气溶胶。这些颗粒的直径一般在1nm到10 μm之间¹．大气中的气溶胶是由几种自然和人为来源造成的，如地壳、火山喷发、海洋和海洋喷雾、工业、生物质燃烧和车辆交通等。在最近的过去，人为来源产生的气溶胶显著增加。有研究报道，大气气溶胶对空气质量、能见度、云的形成和大气化学、辐射收支等都有很大的影响。此外，它们对人体健康也有重大影响。气溶胶的沉积影响地表反照率和水体等²．特别是尘埃和碳质气溶胶在冰面上的沉积对地表反照率有显著影响^3、4．然而，尽管对大气气溶胶的各个方面有了大量的研究成果，但全球气溶胶年收支仍然存在很大的不确定性^5、6、7这可以通过尝试间隙面积来估计。本文综述了大气气溶胶的来源、影响及其在包括空气质量在内的大气过程中的作用。

空气质量和气溶胶

城市化和工业化的持续快速发展导致特大城市的空气质量极差。根据各种国际报告，印度城市的空气质量，特别是德里的空气被发现是最差的。平均悬浮颗粒物(SPM)水平高于500µg/m^3.(表1)20年前在泰姬陵附近的阿格拉报告了非常高的SPM水平⁸．PM的水平₁₀代表可吸入颗粒的气溶胶也记录在200µg/m以上^3.在德里的大部分地点。甚至下午_2．5浓度可达400µg/m^3.在德里的冬季然而，值得注意的是，这些调查主要认为高颗粒物水平是德里空气质量差的主要原因。一般来说，像SO这样的气体₂，氮氧化物含量在允许范围内。

表1:SPM年平均值(μg/m)^3.)，于2010年在德里选定地点进行。(来源:CPCB，德里)。

根据国家空气质量监测计划(NAMP)的空气质量监测数据，德里可吸入悬浮颗粒物(RSPM)的趋势见表2。如前所述，德里的空气大多超过了NAAQS值PM₁₀(60μg / m^3.）一年到头。颗粒物质的主要来源是土壤粉尘、道路粉尘、建筑活动、发电机组、小型工业、生物质燃烧和车辆排放等。德里有2580万人口。2010年，汽车总数约为470万辆，预计到2030年将增长到2600万辆。与2001年相比，2011年该市的能源消耗增加了57%。如此庞大的车辆数量、能源消耗和不断增长的建筑活动将进一步恶化城市的空气质量。

表2:德里市环境空气质量趋势。(来源:CPCB，德里)。

标准的限制

中央污染控制委员会(CPCB)制定了被称为国家环境空气质量标准(NAAQS)的污染物标准的允许限值。NAAQS对PM的限制₁₀和点_2．5已列于表3。表中给出了工业和生态敏感区NAAQS的年平均值和24小时平均值。

表3:国家环境空气质量标准(NAAQS)对环境气溶胶的限制(CPCB, 2009)。

基于PM的工业、住宅、农村和生态敏感区污染等级分类₁₀表4给出了CPCB定义的浓度。有四个类别，即低，中等，高和临界已被定义。点₁₀浓度超过90µg/m^3.被认为是严重污染。根据测量数据，PM₁₀浓度在90µg/m以上^3.德里大部分地区的空气质量都很差。

表4:基于PM的污染等级分类₁₀水平(CPCB, 2011)。

在考虑PM时，提到这一点很重要_2．5和点₁₀作为空气质量的基础，我们不应忘记PM的背景水平_2．5和点₁₀在农村和城市的大气气溶胶自然是高的，由于他们的贡献，风吹尘埃。一般来说，与人为气溶胶相比，这种天然气溶胶在本质上是无毒的。由于这些天然气溶胶，环境SO₂印度地区的水平面受SO控制₂被氧化到粉尘颗粒上，形成硫酸钙^9、10．因此，为了判断一个特定地点的空气质量，除了它们的浓度外，还需要评估它们的大小范围和化学成分¹¹．这将有助于以适当方式确定空气质量及其对健康和气候的影响。

气溶胶的形成

大气气溶胶的形成通过两种机制进行:i)作为初级气溶胶的分解和ii)作为次级气溶胶的气体到颗粒的转化。海盐、矿物粉尘、黑碳等作为主要颗粒排放到大气中，其大小通常较粗。硫酸盐、硝酸盐和铵态气溶胶一般通过二次气溶胶形成过程贡献，并以细气溶胶的形式存在。大气气溶胶主要由无机物质如铵、硝、硫酸盐、黑碳(BC)、海盐、矿物、生物气溶胶和有机物质等组成。有机气溶胶有重要的一次源和二次源。

气溶胶的种类

大气气溶胶按大小可分为两类

1. 细态气溶胶(d < 2.5µm)

• 原子核模式:(0.005µm < d < 0.1µm)
• 累积方式:(0.1µm < d < 2.5µm)

2. 粗态气溶胶:(d > 2.5µm)

总的来说，气溶胶的气溶胶质量大小分布呈现细态和粗态两种模式，形成双峰分布^{12、13、14、15、16、17}．一些工作人员认为细态气溶胶的d< 1µm。在以自然源为主的地区，质量大小分布表现为粗模态优势，而在以人为源为主的地区则表现为细模态优势。细态和粗态粒子的起源一般不同，因此它们在大气中的转化和去除机制也不同。由于它们的来源不同，细态和粗态气溶胶的化学成分也不同，因此它们的辐射特性也不同。

艾特肯模式粒子是通过气-粒子转换过程形成的。它们也是热蒸汽凝结时形成的。艾特肯粒子是寿命较短的粒子，是低蒸汽压力气体的凝结核，这些气体进一步增长，进入积聚范围。一般来说，铵态、硝态和硫酸盐种代表堆积模式粒子。由于这些颗粒不受正常颗粒清除机制的影响，因此被命名为积聚，直到它们被降水清除。

大气气溶胶的来源

自然和人为来源都对大气气溶胶有贡献。气溶胶的自然来源包括地壳、火山喷发、海浪等，而人为来源包括车辆交通、工业、生物质燃烧等。表5列出了不同气溶胶种类的主要来源。从表中可以清楚地看出，海洋喷雾是大气气溶胶的一个巨大来源，每年贡献3-30 Pg气溶胶¹⁸．波浪破碎时的气泡破裂是浪花的主要来源。海洋排放的二甲基硫化物占全球硫酸盐气溶胶的很大一部分^{19日,20日,21日}．风沙是由沙漠地区干旱地面上较大颗粒的崩解产生的。^22、23．

表5:气溶胶种类的主要来源。(资料来源:IPCC第五次评估报告)。

表6总结了气溶胶及其前体的全球排放收支范围。尘埃气溶胶的浓度取决于地球上的位置。矿物粉尘气溶胶在中亚、中东、印度北部和中国部分地区的浓度相对较高。一般来说,所以₄^{2 -}气溶胶约占气溶胶质量的10-30%_3.^-和NH₄⁺根据地点的不同，气溶胶约占6%。EC通常占气溶胶质量的5%以下。然而，在北美和南美等地区，有机碳的贡献率高达20%。据报道，由于生物质燃烧，印度地区的OC贡献也非常高。

表6:自然来源的大气气溶胶及其气溶胶前体的排放量(年)¹)(资料来源:IPCC第5次评估报告)。

* (TgS年¹** ** ** ** *¹）.

表7列出了全球和区域人为排放的黑碳气溶胶以及生物质燃烧气溶胶。

表7:黑碳和生物质燃烧气溶胶的全球和区域人为排放。单位为Tg / yr¹．(资料来源:IPCC第五次评估报告)。

大气气溶胶的影响

能见度降低

大气气溶胶对能见度起着至关重要的作用。细颗粒物(主要是直径在0.3 ~ 1.0µm之间的气溶胶)会降低能见度^{24日,25日,26日,27日}因为它们的直径与干扰可见光的光的波长相似^1、28．据观察，在冬季，印度北部的道路交通、空中交通和铁路交通由于低能见度期间的极端大雾而受阻。

辐射强迫

辐射强迫可以定义为由于施加的扰动使所有其他变量保持不变而导致对流层顶辐照度的变化^{29、30、31日}．大气气溶胶以两种不同的方式产生影响i)直接和ii)间接。气溶胶的直接影响包括对太阳和热红外辐射的散射和吸收，这些辐射通过改变行星反照率而改变地球大气的辐射平衡。气溶胶的间接作用改变了云的微物理特性和辐射特性³²．季风也受到大气气溶胶的影响。表8给出了不同类型气溶胶贡献的辐射强迫。

表8:全球RF平均值(wm)²)，由于AR5中使用的不同气溶胶的气溶胶-辐射相互作用。(来源:基于“增大化现实”技术₅联合国政府间气候变化专门委员会)。

发现累积模式是辐射强迫的临界尺度范围，因为它们与太阳辐射相互作用。此外，积累模式粒子寿命最长，这也有助于贡献额外的辐射强迫。堆积的气溶胶散射光，称为米氏散射，因为它们的大小是附带光的波长的数量级。因此，积聚模式的硫酸盐气溶胶使大气降温。吸收气溶胶(如BC)是导致大气变暖的原因。吸收式气溶胶已被报道为热对流减速器³³有助于云再蒸发，影响海洋减少蒸发，扰乱海洋上的完整水文循环³⁴．最近，除了碳气溶胶，高分子有机化合物也被确定为吸收性气溶胶^35、36．

气溶胶的间接辐射强迫

云的微物理和辐射特性受到大气气溶胶的显著影响。对于给定的液态水含量，增加气溶胶浓度会增加CCN。这将光线向后散射，造成云的反照率。此外，据报道，由于气溶胶的间接影响，最近云寿命增加³⁷．云滴形成雨的阈值半径需要达到14µm。但CCN浓度的增加使水滴无法达到阈值半径，增加了云的寿命，抑制了降雨³²．

材料损坏

材料的腐蚀是由高酸性或碱性气溶胶引起的。据报道，由于气溶胶的酸性，艺术品和历史纪念碑会变质^38、39．同样，大气粉尘的碱性会对墙壁、门、家具和汽车等造成损害。人们已经发现，减少气溶胶可以带来经济效益⁴⁰．

酸化和富营养化

S和N的氧化物被发现是造成酸雨的原因⁴¹．酸雨现象已经对美国、加拿大、欧洲、中国和日本的生态系统造成了严重的破坏。酸雨对土壤肥力和水体有严重的不利影响。富营养化是另一种不良影响，它是由水体中高浓度的营养物，特别是磷酸盐和硝酸盐引起的，这会促进藻类的过度生长。大量的有机物由于有机物的分解而堆积起来。这进一步耗尽了水中的氧气，导致其他生物(如鱼类)死亡。一般来说，富营养化被视为对沿海环境的严重威胁。如果营养物沉积的速度以目前的速度增长，它很快就会成为一个全球性的问题。富含营养物质的水会产生更多的有机物，从而进一步导致缺氧，杀死海洋生物群^42、43、44．

对人类健康的影响

大气气溶胶最主要的影响是吸入空气对人体健康的影响。粗颗粒(2.5µm< dp< 10µm)主要在上呼吸道被清除，而细颗粒(dp< 2.5µm)则沉积在呼吸道的不同部位直至支气管壁⁴⁵．小于0.1µm的颗粒通过布朗运动聚集在支气管中。但是，0.1 -1 μm之间的颗粒由于太大而不能进行布朗运动，又太小而不能被困在气管上部，因此会沉积在肺部。这些微粒在肺部的沉积会引起气道阻力⁴⁶．细气溶胶在肺部的积聚会导致各种疾病，这取决于其化学特性⁴⁷．

植物与动物

不同的空气污染物通过直接和间接途径进入植物系统。颗粒物进入叶片的直接途径是通过气孔扩散进出叶片，间接途径是通过根系。Gupta等人[48]已经证明了尘埃SO的沉积₄^{2 -}在植物叶面上引起叶面生化过程的变化。大气中的灰尘也会堵塞气孔。气溶胶在土壤、植被和地表水上的沉积可以改变养分含量水平⁴⁹．有时，气溶胶的沉积会损害栅栏或海绵细胞，导致坏死⁵⁰．此外，气溶胶严重影响作物产量，从而影响经济。

金属气溶胶在植被和水体上的沉积可能对包括鱼类在内的动物有毒⁴¹．气态和颗粒相氟化物可对各种动物(家畜、野生动物和鱼类)造成伤害和损害。同样，大量摄入砷会导致严重的腹泻、绞痛和肝硬化⁴¹．在发达国家的水中已发现鱼体内的汞，通常以甲基汞的形式存在于水生系统中。

结论

空气质量受到大气气溶胶的严重影响。城市空气质量正在急剧恶化。点₁₀和点_2．5在德里的大部分地点，气溶胶的记录都超过了NAAQS规定的限值。总的来说，除了人为排放外，印度地区的颗粒物水平非常高，部分原因是风吹尘埃的自然贡献。因此，评估空气质量需要将天然组分与有毒金属和有机物从总颗粒含量中分离出来，以便评估大气气溶胶对健康的真正影响。大气气溶胶的全球情况非常清楚，但仍需要根据区域和当地的测量结果进行修正。我们非常需要减少印度地区大气气溶胶预算的不确定性，为此我们需要加强全国的气溶胶测量网络，特别是通过适当增加站点的数量，以代表所有类型的地形，土地利用，活动等。

确认

作者Shabana Manzoor感谢教资会颁发的奖学金。此外，教资会-第二专业教育学院及科技资助计划亦会提供资助。

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