2015年5月29日

霧霾迷濛中的大氣物理與化學

「霧」、「霾」常令人混淆,它們有什麼不一樣?讓我們以大氣物理的觀點,來輕揭兩者的面紗!

作者/陳維婷(國立臺灣大學大氣科學系助理教授)

今年二月底中國資深記者柴靜公開《穹頂之下》紀錄片,再一次引發輿論對「霧霾」污染的熱議,數個月來許多臺灣平面媒體也陸續以專文探討臺灣本土空氣污染的現狀。其實「霧霾」是近幾年來才出現的詞彙,在中國普遍用來指稱空氣污染嚴重導致視線不佳的情況。在氣象學的嚴謹定義中,「霧」和「霾」是兩種不同的大氣現象,兩者有所區別,但亦有相關,大氣科學針對「霾」中的氣膠微粒如何轉變為雲霧中的水滴早有研究。

苦霧沈山影,陰霾發海光
我們每天洗完舒服的熱水澡之後,就會在浴室裡見到霧氣迷濛的景象。「霧」(fog)是細微水滴懸浮於近地面的空氣中,使得能見度降低的現象──簡單地說,霧就是出現在近地面的雲。霧發生時環境相對濕度通常會高於75%,若水平能見度不足一公里時,氣象站觀測員會記錄有「霧」,水平能見度介於一公里至十公里之間則記錄有「輕霧」(或稱「靄」)現象。

要讓環境相對濕度升高而成霧的可能機制有幾種,氣象上就根據這些機制將霧加以分類,例如在靜風而無雲的夜晚至清晨,地表由於輻射冷卻快速降溫而形成「輻射霧」,以及離島與沿岸地區春季暖濕空氣被風吹拂到冷海面,冷暖空氣混合所產生的「平流霧」。

「霾」字在口語中較為少用, 卻是古文中流傳已久的漢字,通常用來形容與揚塵相關的情景,如《詩經·邶風》即有「終風且霾,惠然肯來」的句子。現代氣象以「霾」來指稱「塵埃或鹽類等懸浮於空氣中的氣膠微粒造成水平能見度下降」的情形,例如線香繚繞或飛沙走石等光景塵象都可歸類成霾。當近地面邊界層穩定、擴散條件不佳且相對濕度低於75%時,氣膠微粒可累積到極高的濃度便稱為「霾害(haze)」, 但是氣象作業中並沒有根據能見度減低的程度將「霾」做進一步分類。

唐代詩人盧綸的詩句「苦霧沉山影,陰霾發海光」很貼切地描寫了霧與霾都能散射陽光造成遠山朦朧、天光昏暗的景色,但在霧中懸浮的是直徑介於數個微米到數十微米之間的微小水滴,所含有的液態水質量遠大於水滴中溶解的其他物質,而霾中懸浮的氣膠微粒直徑通常只有數十奈米至數個微米,且僅含少量液態水。

成分與型態多元複雜的氣膠粒子
火山灰                 花粉                    海鹽                   黑碳
                                       (有些許潮解)

氣膠粒子的成分非常多元,可能涉及數萬種無機與有機化合物,以全球整體而言,最常見的幾種氣膠成分包括硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、海鹽、有機物、黑碳、礦物質沙塵、原生性生物氣膠(如細菌、花粉)等。隨著成分不同,氣膠粒子的大小與形狀往往也有極大的差異。

氣膠粒子可根據其排放源加以區分,海鹽、沙塵、原生性生物氣膠來自「自然源」,通常粒徑在數個微米到數十微米之間,算是較大的氣膠粒子,佔整體氣膠質量的90%以上。而目前大氣中的硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽與黑碳氣膠主要來自「人為源」,由工業、發電廠或車輛引擎燃燒過程產生,粒徑一般較小,介於數個奈米到數個微米之間,僅佔整體氣膠質量的一成。有機氣膠則較為複雜,自然(植物排放)與人為(燃燒)排放源各佔相當的比例。

在探討氣膠對健康的衝擊時,最受關注的是粒徑小於2.5 微米的粒子。PM2.5 就是此類粒子在大氣中的總質量濃度,因為氣動粒徑夠小可進入呼吸道甚至穿透肺泡壁進入血液,再加上主要是由人為燃燒過程排放,粒子表面還可能有重金屬附著,因此對人體健康造成危害的風險甚高。


Terra 衛星搭載的中尺度影像光譜儀(MODIS)拍攝的自然色合成影像,呈現華東地區受濃霧及嚴重霾害籠罩的情形。

2013 年7 月,冬季華東地區被嚴重霾害與濃霧籠罩的衛星影像,圖中白亮且頂部平滑的範圍就是霧區,而霾害污染在衛星影像中呈現灰褐色煙霧狀,隱約仍可見到下方的地表或海面。霧與霾在衛星影像中的特徵,正反映了雲滴與氣膠粒子在散射陽光能力的差異。

由圖中可見受霧或霾影響的區域由北京一路延伸到上海,距離超過1200 公里。影像拍攝當天,美國駐北京與上海的大使館分別測到PM2.5 濃度高達每立方公尺480 與355 微克,遠高於世界衛生組織認定對人體有害的標準(每立方公尺25 微克)。當時華東低區處於大陸冷高壓籠罩,近地面邊界層淺且穩定的天氣狀態,造成微粒污染大量累積,相對濕度高的地區則形成濃霧久散不去。

綜合「曲率」與「溶質」兩種效應的「科勒曲線」


這條形狀特殊的曲線有一個最高值,發生在液滴粒徑為Dp,c的時候(圖中以垂直黑點線標示),其相對應的環境相對濕度為Sc(圖中以水平黑點線標示)。我們先任取一個小於Dp,c的硫酸銨液滴粒徑,也就是科勒曲線左側、溶質效應較佔上風的區域,看看環境相對濕度若持續增加,液滴粒徑會發生什麼樣的變化。

只要環境相對濕度不超過Sc這個最高點,液滴粒徑與環境相對濕度最終都會達成穩定平衡,這正是微觀定義下「霾」的狀態。

彎曲液面的「曲率效應」
當液面外凸彎曲時(即液面曲率大於零),空氣中的水氣分子要「克服」曲面上的較高的表面張力,才能順利凝結到液面上,表面張力的作用使外凸曲面上的飽和水氣量升高。在這個情況下,環境大氣的相對濕度要超過100%、達到「過飽和」的狀態,水氣才能在外凸彎曲的純水液面上凝結。(此處環境大氣的相對濕度是以水平純水液面飽和水氣量為分母)

曲率效應的強度與粒徑成反比。紅線左端液滴粒徑小、表面曲率大,因此要發生凝結所需要的過飽和程度極高,環境大氣的相對濕度要遠大於100%,才能讓液滴凝結成長;隨著粒徑加大,球面彎曲程度降低越來越接近水平液面,因此紅線往右貼近相對濕度100%,顯示環境水氣只要稍微超過飽和就可讓大液滴凝結成長。

溶液的「溶質效應」
另一個影響液滴表面飽和水氣量的因素是溶液中的「溶質濃度」,也就是「拉午爾定律(Raoult’s Law)」所描述的現象,當水中溶有非揮發性溶質時,溶液液面的飽和水氣量會比純水更低,水氣會更容易凝結到液面上。如果將定量的溶質溶解在不同大小的水滴中,溶液的溶質濃度會隨著液滴的體積增大而被稀釋,因此拉午爾效應與液滴粒徑的立方成反比。

藍線是以乾粒徑為20 奈米的硫酸銨做為溶質,計算出「溶質效應」隨液滴大小變化的情形,藍線左端溶質濃度高(即液滴含水量低),凝結成長所需的最小相對濕度遠低於100%;藍線右端的液滴含水量高,溶質被高度稀釋因此接近純水,曲線也越貼近相對濕度100%。

氣膠粒子變身水滴的旅程
衛星影像中所見濃霧緊鄰著霾害一起出現的情況並非偶然,因為霧滴的形成需要親水性的氣膠粒子做為「雲凝結核」(cloud condensation nuclei),提供「表面」讓水氣凝結,換言之,每顆霧滴的前身其實都是一顆具親水性的氣膠粒子。究竟氣膠粒子與霧滴之間的關係是什麼呢?

我們先從乾燥的硫酸銨((NH4)2SO4)粒子出發來探討這個問題。硫酸銨的親水性高,環境相對濕度低於100%時就會「潮解」,有少量液態水凝結在表面,硫酸銨也逐漸溶解,成為直徑可能僅有數十奈米的溶液滴,但是否能成長為體積千倍的雲滴,取決於水氣能否持續在液滴表面凝結,也就是環境水氣量相對於液滴表面是否超過飽和狀態。

水平純水液面的飽和水氣量會與環境大氣的飽和水氣量相等,當環境大氣的水氣量高於此飽和水氣量(即大氣相對濕度超過100%),水氣就可在水平純水液面上凝結。但是微小的硫酸銨液滴與平坦的純水水面有兩個截然不同的性質:(1)液滴表面是彎曲而非平面、(2)液滴中溶有硫酸銨而非純水。這兩個性質都會影響硫酸銨液滴表面的飽和水氣量,在圖中分別進行介紹。

不同乾粒徑的科勒曲線
液滴活化所需的環境相對濕度門檻Sc會隨著乾粒徑增加而降低,乾粒徑較大的粒子會優先被活化。此外,不同的溶質成分也會改變科勒曲線的形狀,一般而言,溶解時解離度越高或是范特霍夫因子(Van't Hoff factor)越大(解離時會產生的離子總數)的溶質,會越容易被活化。

科勒曲線描述了特定成分與特定乾粒徑的氣膠粒子轉變為霧(雲)滴的過程,然而氣膠往往有不同粒徑與化學組成的粒子同時存在,在某一個環境相對濕度下,可能只有部分粒子能被活化,其餘粒子仍維持在霾的狀態。這種曖昧不明的複雜情形,被工業革命初期飽受空污毒害的倫敦人稱為「煙霧」(smog),也就是氣膠煙塵(smoke)與霧(fog)混合存在,中國用來代稱空污的「霧霾」一詞,或許也是從smog得到的發想。

結語
由於氣膠粒子的多變與複雜,目前大氣科學界還無法完整掌握氣膠粒子的時空分布、成分、光學、微物理特性,推估未來氣候時,氣膠與雲之間的交互作用甚至成為一個主要的不確定性來源。無論在環境、社會或氣候領域,都還有許多與「霧」、「霾」相關的的陰霾與迷霧,需要共同努力面對與揭露。

1 則留言:

匿名 提到...

霧霾二字是中共控制社會去問題化的字
明明是毒霧..