从去年冬天到今年春天，北京城几乎完全笼罩在沉重的雾霾中，PM2.5数据也一直居高不下。最近，国内科研机构对城市雾霾天气进行了研究，一类新的污染物被检出吸引了人们的注意。这种污染物是“含氮有机物”，与“光化学烟雾”密切相关。那么到底什么是光化学烟雾？光化学烟雾又与北京的空气污染有什么关系呢？
什么是光化学烟雾？
光化学烟雾最早是在洛杉矶被发现的。午后的大气中出现淡蓝色的烟雾，并且这些烟雾能够使橡胶开裂、使树叶变色，甚至刺激人的眼睛。这些烟雾常出现在光照强烈的午后，而且往往是出现在比较干燥的日子里。经科学家研究发现，这些烟雾主要来自于氮氧化物（NOx）和挥发性有机污染物（volatile organic compounds，VOCs）在紫外光照射下发生的化学反应。因为光化学反应是促成这类烟雾的主因，所以这些烟雾被称为光化学烟雾。此后，全球很多城市陆续出现了光化学烟雾，光化学烟雾才逐渐受到重视。
发生在美国洛杉矶的光化学烟雾，烟雾中的褐色来源于空气中的NO2污染。图片来源：United States Geological Survey
光化学烟雾是怎样产生的？
光化学烟雾的形成往往需要比较复杂的条件。首先，产生光化学烟雾的大气必须稳定，整个大气没有强烈的对流，也没有风的扰动；其次，大气中必须具有相对高浓度的氮氧化物；第三，必须有强烈的光照。NO2在紫外光的照射下光解成NO和原子氧，原子氧与氧分子结合生成臭氧（O3）；O3再光解成活性的氧原子和氧气，活性氧原子与大气中的VOCs发生一系列反应，生成包括过氧乙酰基硝酸酯（peroxyacetyl nitrate，PAN）在内的各种产物。由于O3和PAN是光化学反应里最关键的产物，所以通常将这两种物质作为光化学烟雾的指示物质。之前，不论是兰州西固、广州还是北京的光化学烟雾，都检出了相对高浓度的O3。在我国的空气质量标准中也规定了对O3的监测，这实际上就是为了监测光化学烟雾的状况。而这一次，除了O3，“含氮有机物”也被检出，这种含氮有机物很可能就是PAN。
PAN是什么？
准确地说，过氧酰基硝酸酯（peroxyacyl nitrates，PANs）是一系列化合物。其中PAN是最为常见的一种，因此也被认为是PANs的代表物。PAN没有天然源，只有人为污染才会产生PAN。
PANs的化学结构，其中R=CH3时，该化合物即为PAN。图片来源：wiki commons
PAN对人体健康的影响主要表现在对眼睛的刺激作用。但是在37℃的环境下，PAN的寿命只有30分钟，因此对于健康的影响大多是暂时的。但是当温度降低到-13℃时，PAN的寿命则可延长到1个月的时间。由此可见，在温度较低的状态下光化学烟雾持续时间更长。
一般认为，PAN在大气中可以继续分解为NO2和过氧酰基。因而虽然NO2在光化学烟雾生成的过程中参与反应，但它并不会随着反应的进行而被消除。换一个角度，我们可以把NO2看作是整个光化学反应体系中的催化剂，因此控制氮氧化物排放对于控制光化学烟雾的发生与发展意义重大。
北京的雾霾及光化学烟雾对健康有什么伤害？
从2011年的环保记录来看，北京市的臭氧污染并不严重，而最新的报道中也只是提到了检出PAN，没有给出具体的浓度。不过我们现在还没有必要为此而恐慌，简单来说，如果真的有足够浓度的光化学烟雾，那么我们应该感觉到的是眼睛疼，而不是呼吸不畅。所以，在北京的重度空气污染中，我们更应该在意的还是大气颗粒物（尤其是PM2.5）。
虽然还存在诸多争论，但是一般认为PM2.5的主要健康效应是长期接触导致肺癌的产生——这些细小的颗粒物本身并不具有致癌性，但它可能携带有铅、甲基汞、苯并[a]芘等致癌物质，直接到达人的肺部。。当然，致癌物诱发细胞变异往往是一个长期过程，而且这中间也有各式各样其他因素的干扰，因此长期吸入PM2.5才有可能会对健康产生较明显的影响。而PM2.5对健康的短期效应则只会导致人们的血压升高，当PM2.5的浓度下降后，血压也会相应地下降。从这个意义上讲，现在开始重视PM2.5的减排、治理还为时不晚。
雾霾下的北京。图片来源：BBC
光化学烟雾和雾霾有什么关系？
从物质形态看，光化学烟雾与雾霾似乎没有什么关系。光化学烟雾主要为气态污染物，而雾霾则是大气颗粒物。但是，光化学烟雾最终生成大量的臭氧，增加了大气的氧化性，这导致大气中的SO2、NO2、VOCs被氧化并逐渐凝结成颗粒物，从而增加了PM2.5的浓度。也就是说，光化学烟雾可能成为雾霾的来源之一。
目前华北地区的污染物，同时包括以SO2为主的煤烟型烟雾污染、沙尘暴、黑炭气溶胶、其他燃烧产物、挥发性有机物，以及可能出现的光化学烟雾，这种各种污染物同时出现的复杂污染形式是世所罕见的——因为类似的污染是在西方几百年发展历史上陆续出现的，基本上是治理好了一种才出现另一种。复杂的污染物在时空上重叠，导致污染物在生成、输送、转化过程中的复杂化学耦合作用，产生大量二次污染物（即大气污染物之间发生反应生成新的污染物），致使污染的状况与以往单一类型的污染相比有了很大的变化，形成典型的大气复合型污染。而且，就目前的研究结果来看，我国大气复合型污染的主要产物就是PM2.5和O3，即雾霾和光化学烟雾。可见，光化学烟雾和雾霾在我国大气污染中同样重要。
大气复合型污染表现为各种污染物对大气污染的贡献相差不大，很难找出最重要的污染物，从而使控制污染排放工作的难度加大。过去几十年来那种“SO2→总悬浮颗粒物→可吸入颗粒物→细颗粒物”为代表的循序渐进治理污染物的思路已经无法适应目前环境工作的需要。此外，在这种复合污染条件下，各种污染物对人体健康联合作用的影响还有待研究。或许，污染物之间是协同作用，也就是说几种污染物结合会对人体产生更大的影响；但也存在一种可能，污染物之间的作用是相互拮抗的，也就是所谓“以毒攻毒”。当然，不管是哪一样，我们只有尽自己所能保护环境，减少污染排放，才可能将环境污染的风险降到最低。
参考文献：
- 唐孝炎. 我国的大气复合型污染及其形成机理. 《环境化学学科前沿与展望》[北京]: 科学出版社, 2011, 116-127
- 唐孝炎, 张远航, 邵敏. 《大气环境化学》[北京]: 高等教育出版社, 2006
- 北京市环保局. 2011年北京市环境状况公报
- 南方日报. 珠三角灰霾“毒”过北方？
- 中国青年报. 中科院专项研究还原京津冀雾霾天气产生过程
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