科學家札記
2016年4月

懸浮粒子的雙重面目

陳文年教授
地球系統科學課程

空氣污染是香港重要的環保議題,懸浮粒子(PM),例如PM 2.5,是主要的空氣污染物。然而,這些空氣中的小顆粒究竟何方神聖?為何我們要那麼在意?

PM為懸浮在空氣中的固體顆粒或液滴,有不同的大小、成分和來源。有些粒子(如礦物塵埃和花粉)可用肉眼觀察,有些則微細至不能看到。圖一所見,PM 2.5指直徑少於2.5微米的粒子,即約人體頭髮直徑的三十分之一,在顯微鏡下才現形。

<em>圖一:懸浮粒子的大小 (來源:US EPA)</em>

空氣中的懸浮粒子是非常複雜的混合物,包含無機鹽、有機化合物、黑碳、微量金屬,以及不同含量的水分。懸浮粒子的源頭眾多,有些直接由沙塵暴、火山爆發、海洋飛沫和生物質燃燒而排放到空氣中,亦有些透過無機和有機揮發物在空氣中發生化學反應而產生。

這些微細顆粒在大氣層中,嚴重影響人類健康和氣候。很多研究顯示,當空氣懸浮粒子濃度上升,因呼吸道問題而往急症室求診和入院的人數也會增加,因為懸浮粒子和其他空氣污染物(如臭氧)的濃度上升,可引致急性呼吸道疾病,包括咳嗽、氣促和支氣管炎。長者、兒童或患有哮喘、心臟或呼吸道疾病人士,若吸入微細顆粒,風險尤其大。最近,國際癌病研究機構(IARC)發表報告指出,暴露在室外空氣污染將增加人體患上肺癌風險,並將懸浮粒子列為致癌物質。

懸浮粒子不但危害健康,在氣候變化中也舉足輕重。空氣中的粒子可反射或吸收太陽光,部分粒子(如硫酸銨或有機化合物)可將陽光散射並反射回太空,減少陽光照到地球表面的強度,有助降低空氣溫度;也有些(如黑碳、煤烟)則可吸收陽光,暖化空氣。雲的形成也要依靠懸浮粒子,因水分子要於粒子表面凝結,才可形成雲水滴。雲可有效反射陽光回太空,將雲底下的空氣降溫。與二氧化碳和甲烷等溫室氣體相反,模擬的氣候模型顯示,懸浮粒子和雲可冷卻地球表面空氣溫度。

懸浮粒子固然對空氣造成污染,但也有助降溫。有科學家指出減低空氣中懸浮粒子濃度,雖可改善空氣質素,但卻會加劇地球暖化,因當空氣中的粒子減少,雲量也會隨之減少。迄今大家對懸浮粒子在雲形成過程和氣候變遷中的角色,仍未能全然掌握。在對未來氣候變遷的預測中,懸浮粒子是其中一個最大的不確定因素。

<em>圖二:模擬大氣中懸浮粒子形成的反應器(圖中黃色圓筒)</em>
<em>陳文年教授(後排右二)</em>

我和團隊重點研究空氣中懸浮粒子的形成機制,以了解這些粒子在空氣質素和氣候變遷中的角色。我們已在實驗室製出可模擬空氣中懸浮粒子形成的反應器(圖二),將量度懸浮粒子與氣候有關的特性,包括異相反應、光散射和光吸收,以及攝水量,所獲的實驗結果將用作改善、修訂和檢討空氣質素和氣候模型的表現。

 

 

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