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为大气环境做“体检” 让“二次污染”无处循行

2019-12-05 17:04:18　来源: 科技日报 作者: 何亮

秋末冬初本是大气污染高发季，但2019年京津冀的冬天远比往年更“碧蓝”。在这蓝天白云之下，有一项重要的技术在为打赢蓝天保卫战“保驾护航”，它就是——大气监测预警技术。

“大气‘监测预警’就像医院中的检验科，精细、准确、清楚地告诉你，大气是否有污染，整个污染程度如何。”在近日由中国21世纪议程管理中心召开的“大气污染监测预报预警技术交流会”上，中国工程院院士刘文清表示，虽然当前的PM2.5平均浓度显著下降，但是以臭氧、挥发性有机物为代表的“二次污染”不断显现，这对大气监测提出挑战，也是打赢蓝天保卫战必须攻克的难题。

交流会上，包括张远航、刘文清院士在内的专家就“大气污染成因与控制技术专项”（以下简称“大气专项”）中大气污染精细化监测预警技术的创新与突破进行了深入探讨，他们认为区域空气质量的调控，内因是排放，外因是气象，控制重在源头的监测和减排。

捕捉大气污染的隐形“杀手”

自由基，一个听起来活跃的名称，却在大气污染防治中扮演着“阴阳师”的角色。

一方面，它是大气有毒物质的“清道夫”，自由基的存在不断调节着大气环境中的有毒成分，使其不能聚集。另一方面，自由基会与人为排放的挥发性有机物发生氧化，再与氮氧化物发生反应，生成臭氧和二次气溶胶，对臭氧污染和颗粒物污染起到“核心”作用。

一把双刃剑竖在大气中，我们应该如何审视它？大气专项专家组给出的态度是客观精准、越细越好。

准确监测自由基是基于当前大气污染格局的变化趋势，北京大学环境学院研究员、“大气自由基及活性前体物在线测量技术”项目负责人李歆接受科技日报记者采访时表示，自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》（简称“国十条”）以来，多方措施使PM2.5等一次污染缓解显著，但是，从颗粒物化学组成看，二次成分（即一次污染物的大气氧化产物）占比正逐年上升。而且，由挥发性有机物和氮氧化物在光照条件下发生链式反应生成的臭氧，其浓度水平和超标率在全国主要城市地区也呈现上升态势。

在上述“此消彼长”的污染物转换中，自由基就是那个缺其不可的“催化剂”。因此，自由基成为监测大气污染变化的一个重要指标，它的浓度与活跃度成为李歆团队眼中衡量大气氧化性水平的标志物。

自由基能轻松监测到吗？跟常规的气态污染物相比，自由基的浓度非常低。李歆介绍，大气中臭氧的浓度标准是160μg/m3（微克每立方米），换算成数浓度为2×1012 cm-3（分子每立方厘米）。而对大气氧化性贡献最大的羟基自由基（OH）的峰值浓度水平仅在107cm-3（分子每立方厘米）左右，相当于传统气态污染物浓度的十万分之一。而且，自由基的活性非常强，OH自由基的表面被任何物质碰到都会湮灭，这意味着它时刻都处在变化状态，使得测准自由基又增加了难度。

其实，测量OH自由基，从上世70年代开始研究，一直到现在仍有未能攻克的技术难题。李歆团队也是采用国际上已经成熟的技术路线——激光诱导荧光的方法，即用一束激光打到OH自由基上，激发OH自由基释放出荧光，通过监测荧光信号的强弱来判断OH自由基的浓度。

他们的方法创新之处在于，让激光测得稳、测得精、测得准。而背后依靠着自主设计的一套测反馈系统、一系列条件实验和软件模拟、一条自主建设的自由基浓度的发射装置……也正是这项技术和设备的成套应用，使得我国成为世界上第六个独立掌握这种技术来捕捉隐形“杀手”——自由基的国家。

监测固定污染源的超细颗粒

随着“国十条”等政策的出台，污染物排放标准越发严格，如今针对固定污染源的大气环境监测技术早已进入了超细颗粒物监控时代。

在清华大学能源与动力工程系教授丁艳军的项目报告中，记者看到，我国及世界热电厂等固定污染源颗粒物排放检测设备，虽能在线监测5mg/m3（毫克每立方米）以下的超低排放，但仅能测量排放烟尘的总质量浓度，无法实现细、超细颗粒物粒谱分布的高精度在线监测。

“传统的单路光颗粒物光学散射技术，只能获得与烟尘总质量浓度相对应的一维光学信息，而且当环境条件变化时，烟尘粒谱和折射率就会发生变化，该技术因无法感知烟尘特征变化，进而会影响测量结果的准确性。”丁艳军告诉记者，项目组根据光波与颗粒物之间的散射关系，利用信号测量和反演信号处理算法得出烟尘浓度中的PM10、PM2.5、PM1数值，最终实现固定污染源粒谱与质量浓度联合测量。

值得关注的是，课题获得的理论方法和关键部件均申请了专利，其中散射光信号气溶胶特征获取方法及其应用申请了PCT国际发明专利，日本和美国专利均已授权。

对于固定污染源的监测，除了需要有高精尖的技术标准，还得有符合我国实际工况的污染物监测技术。

丁艳军告诉科技日报记者，对于工业烟气脱硝氨逃逸监测，进口仪表无论来自美国、欧洲，还是日本，都无法满足我国大量高灰燃煤机组烟气中氨逃逸的监测，因为烟气中大量的飞灰使得测量激光无法穿透而失效。

项目组针对这种情况，研发了高精度、高灵敏度、可在线标定的原位取样氨逃逸在线监测技术，实现了我国大量高灰燃煤机组烟气脱硝的氨逃逸监测。此外，还针对飞灰吸附大量逃逸氨的最新研究成果，在国际上首先研发出烟尘中飞灰吸附氨的在线监测技术，成功实现了烟气脱硝氨逃逸总量的全面监测。

“这将为我国工业过程中广泛存在的烟气脱硝氨逃逸的全面监测和严格控制提供关键技术支持和保证。”丁艳军说。

探寻大气边界层污染的三维立体信息

2018年冬，一个为期15天、跨越2000公里的大型气象观测实验如期举行。

“这是一次大规模、多平台、多要素大气污染综合观测试验。”该实验项目负责人、中国科学院大气物理研究所研究员胡非表示，这次实验是为了获取京津冀地区点面结合、三维立体的大气污染分布信息，特别是获取大气边界层中大气污染物与气象要素的高分辨垂直分布和时间演变特征。

实验的难度在于高空探测，又是守望京津冀地区，因此取名“望都实验”。与地面固定污染源监测技术不同，“望都实验”主要针对大气边界层中污染物和气象要素垂直结构同步联合探测的不足，展开综合探测与技术突破。

原因在于，距离地面1到2千米的大气边界层主导着地气之间的物质和能量交换，是人类生活和工程活动的主要场所，也是大气污染和气象灾害的主要发生地。胡非告诉记者：“如此高的范围内，要实现空间上全覆盖、成分上要素全、时间上可连续成为一个具体的难点。”

一场“地空”一体的大气污染监测实验在京津冀地区“上演”——32米长、体积为1800多立方米的大型气艇像放风筝一样飘在1000米高空，“空中国王”飞机搭载着设备在空中穿行，激光雷达以北京为中心进行走航观测、京津冀地区的一批地面观测台站等也实施同步协同观测……，为了支撑我国南北方大气污染特征的对比，2000公里外的珠三角、356米高的深圳气象塔和600米高广州电视塔的监测设备同期配合“望都实验”开展观测。

在这次观测试验中，项目自主研发的新型臭氧激光雷达、二氧化氮激光雷达、高空湍流超声风速仪探测系统以及涡度相关PM2.5湍流通量观测系统等也首次亮相。

胡非表示，此次实验得到了以前主要基于地面观测或便携式仪器探空观测所不能得到的污染物物理化学要素精细结构的新信息和新现象，可为揭示京津冀地区重污染形成机制、污染物源解析以及大气污染优化控制提供科学参考。

【求解中国考古学“哥德巴赫猜想”——跨越60年的夏朝探寻】公元前21世纪，古史传说中夏王朝的开始。公元后21世纪，夏朝的存在终于得到证实。

“对中国考古学而言，夏的存在长期被视为‘哥德巴赫猜想’。如今考古、文献史学、测年技术等多学科证据使猜想冲破迷雾，夏朝从传说迈入信史阶段。”夏商周断代工程首席科学家、北京大学考古文博学院教授李伯谦说。
寻找夏墟

1959年4月，71岁的史学家徐旭生从北京出发，前往河南、山西一带寻找夏文化遗迹。中国首次明确以探索夏文化为目标的田野考古就这样开始。
“考古大发现大多出于偶然，但二里头遗址是个例外。”曾长期主持二里头遗址发掘工作的中国社科院考古研究所研究员许宏说，正是在徐旭生寻找夏墟之行中，不断带给世人惊喜的二里头遗址被发现了。

大禹治水、禹划九州、禹征三苗……这些深植于中华民族记忆中的故事，究竟是传说还是确有其事？长期以来，夏存在于后世文献的记载和民间传颂中，始终缺乏足够的考古证据。20世纪初，中国学术界兴起的疑古思潮，更是对夏的存在提出诸多疑问。
“要想解决古史，唯一的方法就是考古学。我们若想解决这些问题，还要努力向发掘方面走。”针对学界争论，1924年发表的《古史问题的唯一解决方法》中提出倡议。
安阳殷墟考古证实了司马迁笔下的殷商历史，令史学界大受鼓舞，寻找夏墟被提上日程。徐旭生率先奔向传说中夏朝城市最集中的地区，即河南中部的洛阳平原及山西西南部汾水下游一带。

经过1个多月密集考察，徐旭生发现了20余处遗址和自仰韶时期至汉代的陶片、石器等遗物。其中最重要的，就是位于河南偃师二里头村的一处遗址。
“60年来，二里头遗址发掘总面积超过4万平方米，发现了大规模的宫殿建筑群和宫城、都邑中心区主干道网以及官营作坊等重要遗迹，出土文物数万件，成为寻找早期王朝最重要的一把钥匙。”许宏说。

“二里头遗址的发掘为我们展现了夏王朝的社会生活图景，让曾被认为是虚构的历史变成真实可信的历史。”中国社会科学院学部委员、中国考古学会理事长王巍表示，刚刚建成开放的二里头夏都遗址博物馆，使人们得以初步领略这处王朝大都的辉煌气象，随着发掘研究的深入，夏王朝的面貌会更清晰地展现在世人面前。

学界认为，二里头文化与古文献记载的夏王朝，在地域和文化上非常接近。二里头遗址宏大的规模、丰富的遗存，让我们依稀看到了曾经辉煌荣耀的王朝气象。随着登封王城岗、新密新砦等重要遗址的发现与研究，逐渐为我们勾勒出夏王朝时期的文化面貌。
“至此可以作出论断，由文献史学、考古学、测年技术科学等学科合作研究的结果证实：中国历史上的夏朝是客观存在的，夏史是基本可信的。”李伯谦说，这个论断已成为学术界共识，也被了解考古材料最新进展的国际学者普遍接纳。

漫步二里头遗址，以二里头台地为意象设计的博物馆，瞬间将人的思绪拉回3000多年前威仪四方的夏代都邑。青铜器、陶器、玉器、绿松石器等2000余件藏品，以及复原展示的宫殿遗址、城市主干道网和古洛河景观，以冰山一角显露华夏第一王都的辉煌气象。
“这是一座精心规划、庞大有序、史无前例的王朝大都，多项中国古代都邑和政治制度源于此。”中国社会科学院考古研究所二里头工作队副队长赵海涛介绍，在多学科协作下，已初步勾画出二里头都邑繁盛时的大概样貌。

二里头遗址现存面积约300万平方米。据学者估算，其繁盛时期有2至3万人，应是当时世界上人口数最多的城市之一。二里头遗址为夏都是当今学术界主流观点。

“多重证据相加，现在已经非常靠近肯定的结论了。”中国社会科学院考古研究所研究员杜金鹏曾在二里头遗址从事考古工作10余年，亲历铸铜作坊遗址、制骨作坊遗址和祭祀遗址的发掘。
遗址的“中国之最”，折射赫赫夏都风采。
——中国最早的“紫禁城”

2004年，二里头遗址发现一座东墙长300余米、北墙残长约250米、西墙和南墙分别残长100余米的宫城，总面积10万余平方米。虽然约为明清紫禁城的七分之一，却是后世中国古代宫城的鼻祖。

“自二里头宫城始，‘建中立极’‘明贵贱、辨等列’这套营国制度逐渐大行其道。”赵海涛说，二里头都邑规划性的判明，对探索中华文明的源流具有标尺性意义。
——中国最早的城市主干道网

2001年至2004年，考古人员在二里头遗址钻探、发掘出井字形大道，明确了城市规划、布局的框架。大路最宽处达20米，相当于现代公路4车道。在这条路上还发现了双轮车辙痕，比此前公认为最古老的车辙还早数百年，具有里程碑意义。
——中国最早的青铜铸造作坊

二里头遗址出土的器物色彩绚丽、纹饰精美，得益于技术先进的官营手工业作坊。考古人员在宫城遗址以南发现了近2万平方米的青铜铸造作坊，陶窑、坩埚、铜矿石、木炭、陶范等一应俱全。

二里头中原王朝的贵族阶层优先用青铜制造祭祀礼器和近战兵器，青铜器在国家权力运作中的重要地位由此可见一斑，所谓“国之大事，在祀与戎”。
——龙图腾最直接、最正统的根源

一件长70厘米的绿松石龙形器，是二里头文化的杰出代表。这条龙由2000余片绿松石组成，巨头蜷尾，龙身曲伏有致。制作之精，体量之大，在早期龙形象文物中十分罕见，堪称中华民族龙图腾最直接、最正统的根源。

二里头遗址距今3800年至3500年，在此之前，已经存在良渚、陶寺、石峁等高度兴盛的早期文化。然而，二里头，为何被学术界公认为中国最引人瞩目的古文化遗址之一？
“二里头文化与二里头都邑的出现，表明当时社会由若干相互竞争的政治实体并存的局面，进入到广域王权国家阶段，这个态势犹如从‘满天星斗’到‘月朗星稀’，黄河和长江流域开始由多元化的邦国文明走向一体化的王朝文明。”许宏说，这一划时代的变革奠定了古代“中国”的基础，二里头遗址的独特之处也在于此。

二里头遗址出土的器物中，有些具有鲜明的同时代邻近地区其他文化的特征。用于饮酒礼仪的盉、爵，是以大汶口—龙山文化的鬶为原型创造出来的；贵族墓中的玉鸟形饰，类似长江中游石家河文化系统的鹰纹玉笄；贵族随葬的海贝，则来自热带海域……

与此同时，二里头文化强力向外大范围扩散。例如，作为二里头文化重要礼器的陶酒器盉、爵，向北见于燕山南北，南及由浙江到四川的长江流域一带，西达黄河上游的甘肃、青海一带。而二里头文化代表性玉器牙璋，更以强者姿态，对周边地区形成强力的辐射与影响。河南新郑望京楼、四川广汉三星堆及越南等地出土的牙璋，与它一脉相承。

“这种既能吸纳融合，又能强力扩散的气度和能量，充分彰显了二里头文化在同时期无与争锋的强者与核心地位。”许宏说，二里头通过兼收并蓄汇集了中华大地早期文明的精粹，在内部高度发展的同时，又向四围发射出超越自然地理单元和文化屏障的强力冲击波。在这一过程中，华夏国家完成了由多元向一体的转型，“中国”的雏形得以形成。

60年来，一代代考古工作者焚膏继晷，逐步揭开了3800年前“最早的王朝”的神秘面纱，使中国考古学的“哥德巴赫猜想”逼近真相。如今，学界公认，二里头遗址形成的文化应该是中华文明的主源头、主根，是中华文明总进程的核心与引领者。一个最直观的表现是，二里头的宫室制度、中轴线、多重院落等都对后来的商、周礼仪产生了深远影响，直到明清时期的紫禁城，仍然可以看到这种影响。

“二里头遗址已经发掘了60年，它的重要性远远没有被国民所了解。”王巍说，应该以二里头夏都遗址博物馆的建设、开放为契机，进一步挖掘和还原以二里头为代表的夏代王朝文明在中华文明起源中的地位、作用，让更多人了解，从而成为增强民族文化自信的重要动力和源泉。

赵海涛表示，二里头遗址虽然发掘了约60年，但是考古工作的区域分布尚不全面、不均衡，遗址钻探、发掘的空白点还比较多，仍有很多问题需要我们去解答，持续的考古工作依然是今后长期的重点。https://t.cn/Aigp0GQf