本报见习记者 田保伟
始作俑者
2010年，中国环境监测总站研究人员在全国选取了9个城市试点监测灰霾天气，发现灰霾日与非灰霾日相比，PM2.5质量浓度增幅达33.3%～123.1%，远高于粗粒子浓度增幅（粒径在2.5～10微米），他们认为PM2.5是产生灰霾的重要因素之一。
据中科院大气物理研究所研究员王跃思监测，正常天气下PM2.5大约占PM10质量的50%，在灰霾天气下，能升至65%～75%，严重时达到80%。
细粒子对大气能见度的影响主要是对可见光的散射和吸收作用，其中散射可造成能见度减弱60%～95%。王跃思认为，因为可见光的波长范围是0.4～0.7微米，直径在这个范围内的粒子对光散射影响最大。
王跃思介绍，在PM2.5中，0.4～1微米粒子的质量占到60%～70%。严重灰霾天气与晴天相比，这段粒子的质量浓度有时上升六七倍，数浓度上升上百倍，所以这部分粒子对灰霾影响最大。
同时，细粒子个数的增多是导致能见度下降的关键原因。王跃思在北京奥运会期间曾作了一项统计，当能见度高时，大气中每立方厘米有20个细粒子（PM2.5），当能见度差时，每立方厘米有2000多个，增长了100多倍。
王跃思说：“真正影响能见度的是数浓度。”他介绍，目前非灰霾天气下，细粒子数浓度在几十个左右，但在10月底的几个灰霾天，数浓度则翻了几十倍。而同期监测的质量浓度，在10月30日达到峰值145微克/立方米，比正常值60～70微克/立方米只翻了两倍。
也就是说，每立方米多少微克和每立方米多少粒，跟粒子的密度有很大关系。细粒子组成成分复杂，来源有扬尘、飞灰、黑碳等，密度各不相同，数浓度高的，质量浓度不一定高。
而霾增多的关键原因在于粒径在0.4～1微米的轻、小粒子越来越多。
复杂的污染源
据王跃思监测，从2003年至今，北京地区PM2.5质量浓度持续升高。细粒子增多使大气环境污染变得更为复杂。目前，大气中细粒子的有机化学成分能分离出3万多种。相比粗粒子，细粒子来源、成分更复杂，更富变化，更加难以控制。
同时，近几年，细粒子中有机碳和元素碳所占比例越来越高，即碳质细粒子数浓度增加过快。元素碳很轻，但它的粒子数不少，而且表面积大，消光性强。
有机碳和元素碳比例的增加，主要是因为机动车数量增多，建筑、房屋装修和日常生活中排放出易挥发的气体增多。
除了有机碳和元素碳，细粒子的第二大成分是硫酸盐和硝酸盐，约占PM1粒子的30%以上。燃烧和工业排放并不直接产生硫酸盐和硝酸盐粒子，而是由其产生的气体二次生成。
王跃思解释，一个非常小的粒子与气体发生反应生成新的粒子，如粒子上附着硫酸，遇到氨气便会吸收增长成新的较大粒子。“二次生成的粒子，是大气中的光化学反应导致污染的一个重要过程”。
正是因为存在二次生成过程，尽管北京几乎不排放二氧化硫，但硫酸盐粒子浓度却高居不下，轻时占10%，重时达到20%，原因即在于周边区域排放的二氧化硫生成硫酸盐粒子，随大气输送到北京。
粒径越小越危险
据介绍，细粒子不但可以二次生成，还可以增长，其增长方式主要是吸湿和碰并两个物理过程。
一个干粒子，如硫酸氨、硝酸氨都是纳米级的，肉眼看不见；但它们具有吸湿性，一吸水就开始膨胀，到400纳米以上时，便可以散射可见光被人看见，就是所谓的成霾粒子。
PM0.4数量庞大，但质量很轻，对PM2.5质量浓度“贡献”很小，所以经常被忽略。但在吸湿性方面，它的“潜质”却很强。这部分粒子稍微吸点水就能长大，使能见度迅速下降。
PM0.4也来自于所谓“清洁”燃料的燃烧，比如天然气和高标号汽油，这预示着空气污染已经进入了一个新的发展阶段。
细粒子另外一种增长方式是碰并。PM2.5粒子中，具有“动力学稳定结构”的粒径段为0.4～0.7微米，这部分粒子可以在大气中独立存在，悬浮很长时间，数浓度最高。
其他更小的粒子，通过碰撞也更容易合并成这个粒径段的粒子，如两个0.2微米的粒子碰撞，很容易并成一个0.4微米的粒子，这个物理过程叫做“碰并”增长。
正是这种稳定的动力学结构，0.4～0.7微米的细粒子还能吸附很多更小粒径的粒子、病毒、细菌，其中吸附的重金属和多环芳烃对人体危害最大。
王跃思说，华北地区污染最严重的重金属依次是锌、铅、铜，来源主要是工厂黑金属冶炼过程和汽车尾气。大气中的锌、铜、铅等20多种重金属主要吸附在细粒子上，不但自身有害，还在大气光化学反应过程中起着重要的催化作用，使纳米粒子转化成霾粒子的速度更快。
有研究显示，重金属成分在粒径较小的粒子上富集能力强，甚至更易吸附在PM0.1这些超细粒子上。
另外，细粒子自身的结构也决定了其强大的吸附和接触能力。细粒子有一个重要的特点——孔径非常多，将其展开后的比表面积可能达到几十平方米。也正是这个特点，使它具有更大的活性表面与其他物质接触，从而发生各种难以预测的化学反应。
王跃思比喻说：“活性炭能吸附很多有毒物质，就是因为它多孔，比表面积大，形状就像马蜂窝。”
《科学时报》 (2011-11-16 A3 深度)
