[科普中国]-大气悬浮物

大气悬浮物（atmospheric suspended matter）是指悬浮在大气中的粒子和液态小滴等固态物质。悬浮在空气中的粒径小于100微米的颗粒物通称总悬浮颗粒物，其中粒径小于10微米的称为可吸入颗粒物。可吸入颗粒物因粒小体轻，能在大气中长期漂浮，漂浮范围从几千米到几十千米，可在大气中不断蓄积，使污染程度逐渐加重。

在大气污染物中, 悬浮物是危害人体的主要污染物之一, 特别是小于10 协m 以下的颗粒物, 一般可以在大气中飘浮几小时乃至几年。如果人体鼻孔毛和呼吸道粘液不能将这些细小的悬浮物颗粒加以排除, 颗粒物将直接进入人体肺泡, 影响人体的健康。由于悬浮物的来源不一, 其化学成份也不同, 进入人体后可导致各种疾病的发生, 有时会导致“癌”的病变。2

大气中悬浮物浓度大气中悬浮物浓度及粒子谱的变化，除受当地悬浮物排放流的影响外，还将受到各种大气物理因素的制约。同一个地区，在某种特定的天气条件下，大气悬浮物的含量可以是常规天气的数倍，甚至达一个数量级的变化。

在诸如气压、湿度、温度等物理因素中，我们认为大气热物理现象是大气中悬浮物浓度变化的一个重要因素。

在冷空气过境时，大气的对流方式是比较复杂的，冷热空气的密度差造成了冷空气过境时北来的寒流紧贴地面向南方移动。由于在冷空气过境前地面的温度比较高，使冷空气过境时，垂直于地面的温度场形成特殊的分布形式。随着冷空气前锋的向前推移，地面的温度不断下降，地面与冷空气中心区的温度梯度开始减小，原来悬浮在空中的尘埃微粒受重力作用开始下沉，这样导致近地面的悬浮物浓度曾一度达到最大值，大粒子浓度的百分比也达最大值。

待冷空气前锋移过后，大气属冷高压控制的稳定天气，大气中温度场的分布又属正常，地面发生的尘埃又可以随着上升的气流携至高空。这就是我们测到的冷空气过境后，大气悬浮物浓度明显降低，以及粒子谱也恢复正常的原因。3

分类大气悬浮物分为有机和无机两大类，前者如植物性粉尘中的棉、麻、木屑、茶、米粉、木炭、中药材、菱藕、山芋等制成的淀粉；动物性淀粉如皮、毛、角质等及其加工物；以及有机色素、炸药、沥青等。后者如金属粉尘、矿石粉尘以及水泥、金属砂等多种加工品；汽车尾气。它们主要来自工厂以及生活过程中形成并扩散开来。这些悬浮物的大气污染，除对光线透过率极大，使能见度下降外，更重要的是通过呼吸系统进入肺部而危害健康。4

性质及特征性质大气悬浮物在大气中的作用取决于其物理和化学性质。物理性质包括颗粒物的质量浓度、数量浓度、单个颗粒大小和形貌、粒度分布、表面积及体积、显微形貌、颗粒的聚集特性等以及颗粒物的吸附性、吸湿性以及对光的吸收和散射性等; 化学性质包括颗粒物元素组成、无机和有机化学组分及分布、化学成分的可溶性、

颗粒物表面非均相反应及矿物组成等。颗粒的质量和数量能使我们了解究竟人们吸人多少颗粒物会让人感到不适； 颗粒的大小决定其进人人体的位置，直径小于2.5 um 的颗粒能够进人人体肺部的气体交换系统，颗粒越细，其比表面积也越大，会吸附更多有害物质。颗粒的大小在几个数量级上变化，要有效地表征颗粒物，就必须用不同粒度分布函数去描述数量和质量浓度，即需要定义颗粒物的表面积和体积的粒度分布。

事实上，颗粒物所有的物理化学性质都与粒径有关，所以大气颗粒物粒度的时空分布规律也一直是人们注意的焦点。不同的地区由于污染源的不同，其大气颗粒物粒度分布规律也各异，同时其PM2.5在PM10中所占的比例也不同。

大气颗粒物的化学成分分析是20 世纪60 年代至今做得最多的研究之一，目前已知的PM10的化学成分包括无机成分、有机成分、微量重金属元素、碳元素等。不同化学组分的颗粒物对气候、健康和大气能见度的影响亦不相同，这些影响还与化学成分在颗粒物内部和表面存在状态有关。此外，不同来源的颗粒物，其化学组成亦有不同，因此颗粒物的化学组成可用来进行颗粒物的来源分析。5

特征（1）在寒潮天气来临时，冷锋过境前后是大气悬浮物浓度最高的时候。

（2）大气悬浮物的日变化对气压、温度的变化较敏感。2

检测方法大气悬浮颗粒物分析研究方法种类很多，分析原理和技术各不相同，每种方法都有不同的检测对象、精确度及适用范围。

总分析方法颗粒物总分析方法适用于对样品的整体分析，可以得到其化学组成及形态、粒度分析、浓度水平及季节变化、来源、贡献等信息，它大体分为化学分析方法和仪器分析方法。

①化学方法

以化学反应为基础，依赖对象的重量或容量分析，得到颗粒物的成分及其含量，是经典的检测分析大气颗粒物的方法。但操作麻烦，灵敏度低，耗时长。

②仪器分析方法

针对颗粒物不同的组分和检测内容，可采取不同的分析仪器。仪器分析方法主要有化学元素分析法、有机物分析法和粒径分布分析法等。

从大气化学元素分析中可以得到很多污染源判别的信息，应用仪器检测的方法有很多：热核反应器、原子吸收光谱仪、X射线粉末衍射、X射线荧光光谱法（XRF）、扫描核探针（SNM）和人工神经网络（ANN）模式识别方法相结合、中子活化（NAA）、等离子体发射光谱（ICP），质子荧光法（PIXE）等。这些方法可以很好地对颗粒物中的化学元素进行定性或定量的检测，但每一种可检测不同元素且检测灵敏度都有差异。对于特定源污染检测，可以根据源判别知识来选择相应的分析仪器。其中XRF和PIXE对样品的破坏很少，样品分析后还可以用于其他测量。大气颗粒物中还含有水溶性离子，阳离子，如Na+、K+、Ca2+和Mg2+等一般用原子吸收法进行测量，而阴离子，如SO42-、NO3-等一般采用离子色谱进行测量。

现在检测大气有机物技术中比较成熟的技术有气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）、气-质联用（GC-MS）和液-质联用（HPLC-MS）。GC对相对分子量较小的多环芳烃（PAHS）能达到很高的灵敏度和分离效果。HPLC可以在室温工作，不但可以检测到小分子的PAHS，还可以对高温时不稳定的PAHS检测，所以HPLC测量PAHS的相对分子量范围要比GC法广。GC-MS结合了GC分离效果高和MS鉴定能力强的优点，是广泛使用的大气颗粒物检测技术。但GC-MS对于极性基团的PAHS难以检测，而HPLC-MS在这方面更有优势。

颗粒物的粒径分布信息也是分析的重点之一。目前，对颗粒物粒度的分析技术有多种，主要包括图像分析法、沉降法、电感法、光学散射分析法等，其中利用激光散射进行颗粒粒度分析已得到广泛的应用。这些方法的特点、原理和适用范围比较如表1所示。

|| ||

单粒子分析方法单个颗粒物一般是指大气中粒度范围在5纳米至几个微米之间的颗粒，单颗粒物的形态和化学组成蕴涵着丰富的环境信息。对单个粒子的检测是近十年来发展的趋势，主要应用电子束技术，质子/核子束技术及激光微探针质谱等，其基本思路是一样的，就是用高能量的激光或加热的表面将单个颗粒物击为碎片离子，接着用飞行时间质谱（TOFMS）在真空中检测碎片离子。采用电子束技术的主要方法有扫描电子显微镜（SEM）和点子探针X射线分析（EPXMA）。董树屏等利用SEM识别广州大气颗粒物主要种类并对其进行来源分析。在质子/核子束技术应用方面，仇志军等利用核探针对单颗粒物进行了研究，建立了单颗粒指纹数据库。李晓林等将高分辨、高灵敏的扫描核探针（SNM）技术和人工神经网络（ANN）模式识别方法相结合，以单个气溶胶颗粒物化学表征为基础，对大气气溶胶源识别与解析的新方法做了研究。应用其他技术来检测单个颗粒物的方法有：傅立叶红外光谱（FTIP）和二次离子质谱（SIMS）。

预处理方法样品采集及预处理方法的选取直接影响分析结果的检测限和可靠性。颗粒物样品的采集一般采用专用的采样器，有大流量、中流量或小流量，并附有各种颗粒切割器供选择。选用的滤膜有聚氯乙烯、玻璃纤维滤膜或石英滤膜等，它们有不同的透气孔径和使用温度。采集样品后，对样品进行预处理。在大气中TSP分析中，浓缩和提取的方法一般采用经典的索氏和超声波提取，各有优缺点，索氏提取是最公认的比较完全提取有机物的方法，但有耗时长等缺点；超声波提取具有简便、快速等优点，但与索氏连续提取相比，回收率略低。还有近年来迅速发展起来的超临界流体萃取技术（SPE）和超临界体色谱（SFC），萃取的总耗时不超过一小时，与索氏比较，时间大大减少，而且收集液直接用于分析，简化浓缩处理步骤，使用温度较低，避免了热不稳定化合物的损失。也有使用热脱附使大气颗粒物的污染物直接气化，从而直接进样，不需要溶剂，但由于温度较高，有可能使污染物中的某些成分分解。

大气颗粒物研究与人类健康密切相关，随着大气颗粒物研究的不断深入，已从一般的无机元素的组分分析到有机成分分析，焦点集中在PAHS的研究上；从总体颗粒物的表征到单个颗粒物分析，研究的尺度从宏观的观测到微观检测，从微米到亚微米，甚至向纳米2级的粒度发展；研究的区域从小区域的室外大气环境检测到大区域、全球环境气候变化研究方向发展，另一方面现代的室内颗粒物及气体污染监控也成为研究热点，这与人们的日常生活紧密相连；大气颗粒物研究的领域日趋广泛，涉及地质（地理因素）、化学、物理（气溶胶的运动规律）、生物（生物污染）等领域。随着研究内容的不断扩大和深入，研究的手段变得多样化，大气颗粒物的分析测试技术也相应地在不断改进和提高。

移动特征高气压控制的稳定天气，大气的能见度往往是比较高的，这种现象单纯用悬浮粒子的布朗扩散作用来解释是不够的，因为布朗扩散的力是由悬浮物与大气分子、原子间相互碰撞得到，所以，布朗扩散的速度是很慢的。然而，由于周围大气之间存在温度和浓度梯度造)沟狗对流作用，则有助于大气中的悬浮物进行大规模的移动。

在有温度梯度的大气中，微粒的运动速度是由斯托克斯运动速度和热泳力所形成的运动速度的合成。温度梯度为正时，热泳力所形成的速度与斯托克斯运动速度反向。在冷空气过境时，冷空气前锋中心区与地面存在正温度梯度，而中心区向上则存在一定范围的负温度梯度。大气中悬浮微粒在两个区域内所受到的热泳力的方向和垂直对流的方向是一致的。因此更加剧了冷空气过境时大气中悬浮微粒的积聚和粒子谱中大粒子成份的增加。

随着冷空气的南移，大气中的温度梯度逐渐减小，热泳作用也相应减弱。悬浮微粒受到对流作用的力和热泳力在这里尽管效果一致，但力的产生方式是不一样的。

对流作用的力是气体作定向迁移时由于摩擦和粘滞等作用附于悬浮微粒的间接力，尤如风吹动云一样。而热泳力则是由于颗粒与周围气体介质之间的气一固相界面因受热而产生的蠕动力。

用对流和热泳现象同样可以解释其他气候条件下大气悬浮物浓度的变化情况。一般地说，当大气中出现逆温层时, 地面的大气悬粒物浓度相对要增高。3

连续监测我国过去由于缺乏连续监测大气悬浮物的仪器，因此、至目前为止，, 全国绝大多数环境保护监测部门仍采用滤膜称重法，此法虽然能较直观地反映大气悬浮物的含量，但是操作过程太繁杂、测试工作量大，, 特别是不能适应对大气悬浮物的动态特性的测量。由于监测仪器的限制，只能采用定点、定时制监测大气悬浮物的含量。在大气比较稳定的情况下( 即气压、温差等浮动不太大的情况下)，用滤膜称重法测得的四次数据，基本上可以代表该日的大气悬浮物污染程度。但是在气候异常的情况下，城市上空出现较大的逆温层时，情况就完全两样，大气悬浮物浓度的最大值往往出现在午夜时刻。这样，用滤膜称重法在白天测得的四次数据就不能代表该日的大气悬浮物污染程度。随着我国城乡建设的不断发展，为了全面衡量大气悬浮颗粒物污染程度，制订必要的预防措施，我国对大气悬浮物的监测也必然要从落后的定点定时测量过渡到连续自动化测量。2

影响大气悬浮物质对人类和动物的毒性作用可通过三个方面表现出来：

（1）由颗粒物质本身的化学和物理特性决定的内在毒性，如有毒颗粒石棉、BeO、Pb、Cd、As、Hg、H2SO4及多环芳烃等；

（2）吸入颗粒物质后对呼吸道清理机制的干扰；

（3）由于颗粒物质表面携带和吸附了有毒物质而带来的毒性，如煤烟是一种良好的吸附剂，常常会吸附象SO2那样的有害气体。

大气中颗粒物质的测定项目有：总悬浮颗粒物的测定、可吸入颗粒物（飘尘）浓度及粒度分布的测定、自然降尘量的测定、颗粒物中化学组分的测定。

可吸入颗粒物因粒小体轻，能在大气中长期漂浮，漂浮范围从几千米到几十千米，可在大气中不断蓄积，使污染程度逐渐加重。可吸入颗粒物成分很复杂，并具有较强的吸附能力。例如可吸附各种金属粉尘、吸附病原微生物等。可吸入颗粒物随人们呼吸空气而进入肺部，以碰撞、扩散、沉积等方式滞留在呼吸道的不同部位，引起呼吸系统疾病。

悬浮颗粒物还能直接接触皮肤和眼睛，阻塞皮肤的毛囊和汗腺，引起皮肤炎和眼结膜炎或造成角膜损伤。

此外，悬浮颗粒物还能降低大气透明度，减少紫外线对地面的辐射强度。总之，悬浮颗粒物对健康的危害是多方面的、复杂的，应引起人们的高度重视。

防治措施①控制污染源

治理污染源是防治大气污染危害的根本措施，治理途经主要有：分散人群，合理布局工业，改变燃料构成、使用低硫燃料、使用清洁生产工艺、区域集中供暖供热、高烟囱排烟、控制废气的排放时间以及提高交通运输工具废气的净化效果、推广使用天然气。

②绿化造林

植物有过滤各种有毒有害大气污染物和净化空气的功能，树林尤为显著，所以绿化造林是防治大气污染的比较经济且有效的措施。

③栽培抗污染作物

由于不同作物、不同品种对各种大气污染物具有不同的抗性，因此在不同大气污染区要根据气象，土壤等条件尽可能培育、栽培对该地区主要大气污染物抗性较强的作物，搞好工矿企业周围的作物布局，以减轻甚至避免大气污染物对作物造成的危害。

④加强农作物田间管理

有针对性地施用肥料可以提高农作物对有害气体的抵抗能力。

⑤加强空气质量管理

除从技术上对大气污染进行治理外，还应通过一系列行政手段，加强空气质量管理工作，以保证在发展生产的同时，空气环境质量长久持续地得到控制。