应对区域灰霾对生态环境的影响之浅见

黄艳贞

(广东省固体废物和化学品环境中心,广东 广州 510308)

近年来,中国城市灰霾现象持续不断,影响范围和程度总的来说虽经过十几年来的强化治理和环保督察,得到较明显的改善,还远未得到根本有效控制。尽管各级政府频频出招加大监管力度,通过调整产业结构,减少污染物的排放,化石燃料在能源结构中的比例有所下降,但总量仍然居高不下。每年到冬春季,灰霾如期而至,情况更加让人无奈和揪心。令人尴尬的是,灰霾成因仍未有明确定论,但笔者认为灰霾必须通过粒子性与波动性相互转化形成界面—水汽团加以解析,可能会引起共鸣。

我国高速发展的珠江三角洲、长江三角洲和京津唐地区高度集中消耗大量的物质和能源,成品油消耗占全国45%,煤占全国25%,实现GDP占全国37%。经济发达地区同时又是高能消耗区。笔者整理近十年有关数据发现:燃煤消耗与燃油消耗总量与灰霾出现区域几率与程度呈明显的正相关。燃煤电厂排放大量的冷却水水蒸汽与二氧化碳,机动车燃油消耗也产生大量的水蒸汽与二氧化碳,人为排放的水蒸汽与二氧化碳叠加形成界面聚焦长波辐射增热形成灰霾。不间断的燃料燃烧产生的气体不断向大气中排放,随着气层扩张并不同比例降解散发,形成的气圈层一旦受阻就会持续增强,形成更大范围的气团,特别是水汽恒温气团——云层,使得其受重力影响不断下降,进一步压缩低层大气空间,使得其边界大气层越来越低,一旦上层大气层流速慢,极易形成静稳的逆温层。按照理想气态方程PV=NRT,体积越小,压力越大,从而使得外来太阳光与人为排放的废热产生的光磁正反叠加形成更明显的界面,从而使地表温度持续升温,犹如天空覆盖一层层天穹形成温室大棚,使得光辐射强迫加强,聚焦形成有核波增加,即PM2.5粒子增多,灰霾持续恶化。因此,当地表持续升温时,极易形成灰霾;但地表持续降温时,空气流动性增加,灰霾消遁。

虽然燃料燃烧排出的二氧化碳,约有50%留在大气里,其余大部分被海水吸收,小部分被植物吸收,但据有关资料,自工业革命以来,大气中二氧化碳含量增加了25%,远远超过科学家勘测出来的过去16万年的全部历史记录,而且目前尚无减缓的迹象。仅仅从1958年到2006年这短短的几十年时间里,大气中的二氧化碳年平均浓度就从310×10-6上升到381×10-6[1-2]。环境人为排放的水蒸汽导致城市上空的湿度明显增加,热岛效应非常明显。我国长江流域的南京、武汉、重庆和长沙被誉为我国的四大“火炉”,呈现灰霾与“火炉”共存的局面[3-4],主要原因也是水蒸汽与二氧化碳等温室气体高度集中,形成界面受长波辐射增热的结果。近代世界上所发生的重大大气污染事件中,基本与逆温层的影响有关。

1 灰霾基本成因

有学者认为,灰霾是尘象的一种,地面上各种车辆、工厂、喷射机等排放的空气污染物,特别是二次颗粒物光化学反应,产生新的污染物,与空气中之盐粒、水气等物质集中在一起,使能见度降低的一种大气现象。由于天空背景为蓝色,水蒸汽为白色,烟尘为黑色,水蒸汽与烟尘混合而成的颗粒物在蔚蓝色的背景下呈现灰白、灰黄或黄棕色现象,看起来会遮蔽我们的视线,引起视觉难受。若冬春季吹西北风,风速在每秒两米以下,空中有下沉气流,它能像锅盖似的阻止空气流动,于是在城市上空出现“逆温”层,污染物就在“逆温”层下边堆积起来。

笔者认为:界面的形成具有三个条件,一是单(奇数)原子分子组成的分子反射面,二是各种不同奇数原子分子互相影响而杂化固定,三是有一个相对稳定的热源不断向外界发射。灰霾与界面的形成密切相关,与燃料燃烧、炸弹爆炸原理相同。燃料燃烧、炸弹爆炸在释放长波光子的同时,短波收缩形成气态物质,如二氧化碳气体和水蒸汽、氮氧化物等。根据已有研究报道,双原子偶数分子易形成反射线,三原子或五原子等奇数原子分子易形成反射面。也就是说O2、N2、H2只能形成反射线难以杂化,运动速度快,不易形成界面;而水汽、二氧化碳、一氧化二氮、臭氧等易反射面,进而形成体,被杂化固定而容易形成界面。这也许是原子线圈与分子面圈自然运动物质基本元素。原子线圈包括光信息圈、电磁圈、火圈、原子外围的电子云圈,分子面圈包括水圈、土圈、大气层圈、原子核内层圈。原子线圈的速度快而虚,分子面圈的速度慢而实。所有圈层均由线先由“8”构成一个内凹平面,再构成一个扭转曲面,最后才能构成体。同一个平面可以快速形成电场进行变换,不同平面可形成势场不均匀交换波线。简单的圈层波线很少超过三层。“8”圈内凹平面像蝴蝶一对翅膀,也像动物的一对对肋骨由粗到细向外扩张,只要它是活的或自然运动的,均形成一个辉圈。

当长波光子经过短波光子形成的界面衍射、反射聚焦,会产生大量的热量随之释放。物质由固相变为气相甚至变为光波(电磁波)时一旦在一定容积内反射、衍射汇集产生共振形成巨大的能量体;若外环境压力低,空间范围广,就会逐步向外扩张,扩散气体或光波一旦受阻,形成反射,纵波加强横波削弱,形成循环体就已聚集在某个区域,就会出现我们看得到的灰霾或烟霞。下面从能量界面、电磁场回路界面、逆温三个方面加以解析。

1.1 从能级界面方面解析

根据爱因斯坦质能方程E=MC2=HV,热力学定律,说明颗粒物越多,质量越大,光的辐射频率越大,发射越强,能量就越大。PM2.5细颗粒物是二次光化学反应的产物,有比粗颗粒物更大的比表面积,离地面越高,尺寸和重量越小的内能向动能的转化越多,物质升得越高。到一定大气层,产生裂变反应,其结果是有机颗粒物减少,无机颗粒物增加,辐射强迫增强,吸收水分的能力增强。由于不同能级的细颗粒物不断细分,使得其能级越来越接近,若向外辐射纵波受到阻碍反射,纵波削弱横波加强,越容易形成循环闭合圈,出现同能级的界面。

水蒸汽受氢键作用可以同时以气、液、固三态存在,是最容易形成界面的物质;而其他物质如O3、SO2、NOx、H2S等气体物质难以同时在常态下以气、液、固三态同时存在,不易形成界面。在具有界面的情况下,才能形成一定体积,根据PV=NRT公式,如果一定湿度气体,升高温度或降低压力,气体体积增大,液体容易气化;反之,降低温度或增加压力,气体体积减少,容易液化。如果你对着一定界面的玻璃哈气,增湿加压或加热或增加颗粒物(增加热散射)就会有水蒸汽变成水珠依附在玻璃上。前面讲过单数原子分子水汽、二氧化碳、一氧化二氮、臭氧等易反射面,进而形成体,被杂化固定而容易形成界面。那么对灰霾同样适合这个原理。能级密度(燃烧矿物燃料)增加或热辐射(人为排放颗粒物)增加,天气变冷(大气层上空冷空气下沉形成界面)或湿度增加(燃料燃烧包括火力发电与机动车排放水蒸汽与二氧化碳),灰霾天气必然增加。据南海热带海洋研究所研究资料:我国、印度大气中的碳黑粒子(吸收水的能力强)占细粒子比例达到20%,远远大于发达国家的水平。这就是在冬天取暖、城市市区(高大建筑物)热辐射以及潮湿的春天灰霾天气多的原因。

1.2 从电磁场回路界面解析

前面提到的热辐射波向外扩散遇到阻力出现逆温时,纵波削弱而横波增强形成一个回路电场。电场可以看成相对稳定的界面场,回路具有电动势;磁场是变化的电场由小变大而形成的,可以看成正向扩张与反射波传播的正叠加,同相叠加越多,显示出波峰与波谷越强,越易形成界面,同时混杂的波越多,其固化稳定性越好。但如果形成的界面波长长,使得其容易穿越波长短的圈层,难以形成反射;若形成界面波短,垂直其波的纵面波难以穿越,则易形成反射。磁偶极子可有两层以上,但几乎都有电场界面所控制,变化越多,磁偶极子越多。一旦成形,就以此为基础不断扩张形成有形个体。可以认为,循环叠加形成的“8”圈内旋多显示出电场,对外多显示出磁场。

所有固化也许是两种或两种以上的波交叉产生火“8”圈聚焦,同时又快速释放,不参与循环或断裂的波尔带出热量的结果。长波的种类多,相互交叉的情况会多,产生的反应或变化会多。高温的物质与低温的环境容易被反射形成界面。因此可以说内外波圈的温差或能级差决定了某界面形成的强弱。

1.3 关于从“逆温”方面解析

我们上空的大气对流层,气流上升越高,气温越低。一般地,气流每上升100 m,气温则下降0.6 ℃。气温减率超过1 ℃时,则大气层中的气流极不稳定。相反,当气流上升越高,而温度也随之升高时,也就是说气层中水蒸汽或二氧化碳明显增加,形成界面或云层,吸收阳光,使之太阳光短波辐射通过衍射、反射变为长波辐射,升高温度,这种现象称之为“逆温”现象。但是“逆温”现象下,如果烟囱排放大量高能量的烟尘向上扩散,冷空气下沉,阻碍了烟尘的上升,两股气流汇合,形成新的二次污染物。由于烟尘中含有大量的水蒸汽、二氧化碳等奇数原子分子,这些分子形成界面气团,具有贮能作用,导致污染物的停留,不能及时发散出去,就会形成灰霾颗粒物。火电厂和工业锅炉、窑炉和大灶、机动车辆燃料以及秸秆能源燃烧排放二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、挥发性有机物等污染物,同时伴随大量的水蒸汽的排放,而同样温度的水蒸汽从高架源排出距离只有几米,但含碳其他颗粒物浓度高,其扩散距离和影响范围非常大,可以达到几百米甚至上千米,说明高浓度的颗粒物伴随着巨大能量,进行物质与能量的转换。

对地球大气对流层而言,随高度上升而温度下降,说明大气分层形成对地心的凹面波圈由虚向实变化,越接近地面气压越高,空气分子越密集,同时水汽湿度越大,但水要形成以圈层实体必须是上下界面压力一定,温度也要接近。因而以扁平状的云层覆盖流动最快,且聚集面积大,在云层上层快速流速快,形成负压可以将分布不同平面水汽云层迅速汇集起来,形成“云河”。逆温越强的时候,其平面水汽层在垂直火层的作用下汇集越强,因此可以发现当出现大面积的雾霾天时,该地区的云层一定是快速扩散铺天盖地往下压缩,使得该地区云层水汽集中,云层与地面的距离越低,使得敏感人群心情郁闷难受,容易生病。相反则会出现天高云淡,惠风和畅心情欢悦的景象。

2 污染源来源分析

热电厂以燃用煤炭、重油或天然气为燃料,放出热量,加热锅炉中的水,产生具有一定温度和压强的蒸汽,将化学能转化成蒸汽的内能,蒸汽带动汽轮机转子旋转而发电,但燃料所发出的热量中有60%损失掉了,直接排入大气中,造成人为排放水蒸汽的增加。 如果能把这部分热量利用起来,就可以提高燃料利用率,发电厂的经济效益就能提高。在湿法工艺脱硫后的控制烟气中水蒸汽的排放,日本和德国有比较先进的技术,循环使用水蒸汽,防止产生跑、冒、滴、漏等现象,较好地解决了烟气泄漏问题,减少水蒸汽的排放量,大幅度降低灰霾形成的主要物质。

机动车燃油—碳氢化合物在燃烧的过程中也排放大量的水蒸汽与二氧化碳,放出大量的热量。CHx+O2=CO2+H2O+热量Q,若以2022年消耗4亿t燃料油计算,全国产生远远超过4亿t的水蒸汽,这些物质排放进入空气中,虽然是低空排放,但与近地面的扬尘结合,也增加了PM10形成几率。因此对汽车排放的水蒸汽与二氧化碳也要加强控制,减少其以气态形式排放。

据有关资料,全国2002年耗煤14亿t,2022年将近54亿t,煤炭消耗量从每40年增长10亿t到14年增长10亿t,再到现在3～5年增长10亿t,而同期燃油由3亿t增长到4亿t。说明高污染的煤炭与燃油增长速度之快,远远高于预期。不得不说明一方面高能耗企业没有得到有效控制,另一方面还有最关键的高速增长的电力更是没有掌控。再看能源结构10年基本没有太大的变化,我国煤炭消耗占所有的能源比还是在70%左右,而发达国家基本控制在20%～40%以下,可再生能源在50%以上。火车提速,高铁扩张,高速公路大力发展,其行驶的机车机械能消耗就会急速增长,由燃煤火电厂燃烧产生的热能转变为电能再转变为机车运行的机械能不知要增长多少,加上能量转换损失,可见高速发展的经济伴随着高能耗的飞速增长,不得不引起足够重视。要防止能源消耗过快增长,还得降低机车的行驶速度,适当控制高铁或高速公路的建设速度,也是减轻灰霾影响的一种重要举措。

灰霾的治理是一个长久而艰难的过程,西方发达国家也经历过灰霾治理艰难困苦的过程,伦敦烟雾事件和洛杉矶光化学烟雾事件曾引起全世界的关注,经过长期艰难治理,灰霾现象基本得到消除或控制。

3 减排除霾措施

要消除雾霾对环境影响,还需要从如下几个方面进一步采取措施,减少燃料的消耗与运输。要注意学习和借鉴西方发达国家的成功经验。

首先,必须有耐心、有决心综合分析形势,从源头上防止灰霾污染,控制或减少燃煤和燃油总量,优化能源结构,适当控制高速铁路或高速公路的建设速度,有序发展低耗能工业,严格控制高耗能工艺,抢先占领技术制高点。一方面要减少燃料的燃烧,特别是高碳如煤炭的燃烧,减少水汽的生成与排放,另一方面要减少不同含碳燃料同时在某一区域燃烧而出现叠加效应,不同层级的云层形成几率就会减少,雾霾天自然而然会减少。而且要全民倡导低碳出行,全面推行低碳经济,一方面依靠减少二氧化硫、氮氧化物或挥发性有机物等污染因子,关键是要减少二氧化碳与水蒸汽的排放,才能解决大区域的空气污染问题。同时要减少燃料大范围散体运输,防止洒落扬尘造成二次污染。

其次,要提高电厂、锅炉、窑炉、机动车燃料燃烧以及焚烧产生的废气排放标准,大幅度减少二氧化碳和水蒸汽等的排放量。

第三,政府、民间、企业、个人必须共同努力,选择节能的方式,减少非必要的出行,减少交通运输量,形成全社会低碳节能环保的氛围。

第四,加强立法,从严控制高耗能企业生产,提高技术含量,推行总量废物减排,严格控制废物的影响范围,简化废物利用工序,全面实施循环经济,力争尽快进入后工业化时代。