烟雾箱装置在PM2.5机理研实验究的重大应用

烟雾箱装置在PM2.5机理研实验究的重大应用

大气环境复杂多变，温度、湿度、光照、云的存在与否、各种污染物成分及浓度等都会可能影响到大气化学反应过程，二次污染物的形成快慢及化学组成。PM2.5中很大部分是二次形成的，比如硫酸盐及一部分有机物。为了研究大气化学反应机理及产物或者不同组合污染物的健康效应，我们需要用烟雾箱设施提供可控的实验条件。

烟雾箱设施有两种：室外烟雾箱及室内烟雾箱，两者重要的区别是光源，一个是自然太阳光，另一个是人工光源，后者很难达到真实模拟太阳光。太阳光是大气化学反应的原始驱动力，有些在太阳光条件下的光化学反应不一定能在人工光源条件下定性定量地反演出来。但室内烟雾箱有可以控温控湿的优势。

国外早在上世纪70年代，建立了一大批烟雾箱实验室，开展大量实验研究。烟雾箱是研究PM2.5形成和演化的重要工具，它可以在接近真实大气环境条件下，探索众多大气污染物的化学反应机理，建立并验证了众多污染和控制模型，为研究雾霾形成理论与治理技术提供可靠的科学依据。它能够人为控制反应物及反应环境，具有参数可控以及实验可重复性等优点，从而将特定的化学反应与实际大气的复杂多变区别开来。

国内烟雾箱实验室并不多，体积也大小不一，主要有北大(1.2m3)，清华(2m3)，中科院生态环境中心(30m3)，中科院广州地化所(30m3)，中科院化学所(双烟雾箱)，中科院安光所(双烟雾箱)，复旦大学(5m3)，中国环科院(56m3)等。然后，烟雾箱大的质疑是实际大气复杂多变，怎么可能进行模拟？与真实的大气反应相比，实验模拟的结果可靠吗？比较出色的研究是近北大胡敏课题组刚刚在PNAS发表的黑碳对空气质量和气候变化影响的定量化研究(都知道黑碳对环境和气候有影响，以往研究大都是定性的结论)，题目"Markedly enhanced absorption and direct radiative forcing of black carbon under polluted urban environments"，主要是基于他们建立的准实际大气烟雾箱，大的创新点在于烟雾箱的设计，是真正能够将实际复杂多变的大气与可控反应进行关联，从而揭示了不同地域(北京、休斯顿)黑碳对雾霾和气候双重作用机制的时间尺度。由于以往的模型计算不确定性较高，他们的定量化结果可以为气候辐射模型计算提供更准确的参数化方案。

此外，为了全面认识PM2.5的形成和演化过程，不光要设计众多对照性实验，还要尽可能的全面、在线表征PM2.5与气态污染物的各种理化性质，比如颗粒粒径分布、化学组成、光学特性、吸湿性等等，因此所涉及到的仪器较多，基本配备的仪器至少是1000万以上，并且一些仪器在专业性要求非常高。

总的来说，烟雾箱对于认识雾霾的形成机理是很好的一种手段，但是毕竟是基础研究，需要科学家们大量的实验积累，由于实际大气的复杂、多变，其认识过程无意是漫长的。同时，烟雾箱实验与观测结果、模型计算形成闭环，各种方法不断相互验证，才能真正认识雾霾的形成机制。

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