第2章 大气污染防治领域的新进展(1)
大气指围绕地球四周的空气。大气中水分变化的结果，就是天气的主要表现。地球上一定地区特定时段，多年来各种天气演变过程的综合表现，通常称之为气候。它是太阳辐射、大气层下垫面回应和大气环流冲击共同作用的结果，有冷、暖、干、湿等明显差别，是大气物理特征的长期平均状态。大气污染，对大气物理状态产生的影响，主要是导致气候的异常变化，如温室气体增多，会引起地球变暖的效应。本章着重考察国外大气污染防治及温室气体综合利用等方面的创新进展情况。21世纪以来，国外在防治大气污染领域的研究，主要集中在大气污染来源、破坏臭氧层的物质、二氧化碳的增减现象，以及大气污染对健康的影响；防治大气污染的新技术、新材料和新设备。在减少温室气体排放领域的研究，主要集中在减少工农业生产过程的废气排放，发展清洁煤技术，发展二氧化碳捕捉及储存技术。在温室气体综合利用领域的研究，主要集中在温室气体资源化利用，把二氧化碳转化为能源，以及拓展二氧化碳的其他新用途。
第一节 防治大气污染的新发现与新发明
一、防治大气污染研究的新发现
1.大气污染来源研究的新发现
（1）发现四成致癌性大气污染物来自植物。2006年6月，日本东京药科大学的熊天英峰、日本海洋研究开发机构地球环境观测研究中心的内田昌男与日本国立环境研究所的柴田康行等人组成的一个研究小组，共同对东京郊区大气中的污染物质多环芳香族碳化氢（PAH）进行了调查。结果证实，在大气中，20%～40%的致癌性物质是来自于植物燃烧时所产生的生物碳。
在东京郊区丘陵地区进行的实验中，研究人员抽取了6万～15万立方米的大气。在抽取的大气中，他们采集到了直径为10微米以下的微小颗粒物质，对多环芳香族碳化氢含有的碳素成分进行了分析。碳分析是以放射性碳同位素碳14为指标的，一般的化石燃料中不含碳14，但在植物碳素中却含有碳14成分。研究人员经分析后发现，在直径10微米以下的颗粒，以及极易被人体吸入的直径1微米以下的颗粒物中，有21%～46%的碳成分是来自现代的植物。在此之前，人类还无法区别大气中的致癌物质多环芳香族碳化氢中的碳，究竟是来自石油等化石燃料还是来自现代植物。
研究人员认为，大气中的碳应该主要来自垃圾和下水污泥的焚烧，还包括农民焚烧田里杂草等。利用这种新的分析方法，科学家可对将来逐步增加的生物燃料污染大气的情况做详细分析，也可由此掌握大规模森林大火对大气环境的影响。
（2）发现树木释放物与空气污染物混合会加大臭氧浓度。2013年1月，美国兰卡斯特环境中心一个研究小组，在《自然·气候变化》杂志上发表研究成果称，他们发现，作为生物燃料来源的树木所释放的有机化合物异戊二烯，与空气中其他污染物混合，将使种植地附近空气中臭氧浓度增加，可能会导致人们吸入臭氧死亡，并且也可能降低作物的产量。
在距离地球表面25～45千米范围内，臭氧浓度不到1ppm时，可吸收太阳光里99%的紫外线，对地球上的生命具有保护作用，对人体无害；若浓度高于100ppm，则会引起呼吸障碍和头痛。汽车、化学工厂及发电厂排出的二氧化氮吸收阳光后，转化成一氧化氮和活泼的氧原子，氧原子继而与氧气反应生成臭氧。这些停留在对流层的臭氧会使人感到呼吸困难，肺功能减弱及肺组织受损。此外，臭氧更会与汽车排出的碳氢化合物作用，生成光化学毒雾，刺激我们的呼吸系统。所以，臭氧究竟是敌是友，功大于过还是过大于功，就要看它在大气层的哪个部分了。
为了减少化石燃料产生的二氧化碳向大气中的排放，政府和民间团体纷纷转向用生物燃料作为替代能源，欧洲已种植了桉树、柳树和杨树等速生树种。研究人员发现，在英国居民区附近种植的作为生物燃料来源的树木，会释放出高浓度的化学物质异戊二烯。此前的研究已表明，当异戊二烯与其他污染物（如氮氧化物）混合时会产生臭氧。这项新的研究提出，该做法会使空气中的臭氧量增大，按照欧盟2020植树目标，每年可能导致欧洲1400人死亡，再加上7.1亿美元额外的医疗费用和作物损失。
利用这些树木，作为生物燃料来源的计划，一般涉及在市区附近种植，以避免产生运输成本。研究人员认为，这样的大面积种植会导致生活在附近的人出现肺部疾病，严重的会导致死亡；而如果这些树被大量种植在农村地区，食用作物将受到不利影响，从而导致其产出减少、成本提高。
该研究小组强调，目前每年欧洲2.2万人的死亡，被归咎于在大气对流层的臭氧浓度过高，所以，在这种意义上，臭氧备遭谴责。这项研究考虑的不仅仅是通过生物燃料，来减少温室气体排放时的碳预算，而是量化了在欧洲种植生物燃料树木，所造成的异戊二烯释放率的增加，并评估地面臭氧浓度的变化，及其对人的死亡率的冲击和影响。
（3）发现一种可长期存在的温室气体。2014年1月，《卫报》近日报道，加拿大多伦多大学化学系安吉拉·洪等人组成的一个研究小组发现，一种称为全氟三丁胺（PFTBA）的物质，也是温室气体，该气体100年内使地球变暖的效应，是二氧化碳的7100倍。而这种工业化学品，目前没有受到监管，它在大气中可长期存在。这项研究发表在《地球物理研究快报》上。
全氟三丁胺自20世纪中叶开始，就一直在电机行业中被使用。安吉拉·洪说：“我们认为全氟三丁胺是在大气中被检测到的辐射效率最高的分子。”研究发现，在超过100年的时间跨度中，全氟三丁胺使地球变暖的效应要比二氧化碳强7100倍。
全氟三丁胺在大气中的实际浓度很低，以多伦多地区为例，它只有百万亿分之十八，二氧化碳则是万分之四。美国国家航空航天局戈达德空间研究所气候学家德鲁博士说：“这是一个警告，提示这种气体可能对气候变化产生一个相当大的影响。既然目前它在大气中的含量还不是很多，可以不必对其特别担心，但是必须确保它在数量上不会增长，不至于成为全球变暖的一个非常大的担忧。”
从气候变化的角度来看，化石燃料排放的二氧化碳依然是最大的罪魁祸首。但全氟三丁胺在大气中是“长寿”的。研究人员估计，它在大气中可以存在约500年，而且不像二氧化碳那样可以被森林和海洋吸收。目前，地球上还不知道以怎样自然的方式，能把它扫除掉。
对此，研究人员提出，应该重视工业生产过程中其他化学物质影响气候问题的研究。自从20世纪中叶以来，晶体管和电容器等各种电气设备当中都在使用全氟三丁胺等多种化学物质，这些物质对大气的影响仍然是未知的。安吉拉·洪指出：“全氟三丁胺只是众多工业化学品中的一个，但目前还没有控制其生产、使用或排放的政策，也没有任何类型的气候政策将其纳入监管。”
（4）发现踏板摩托车成废气排放“祸首”。2014年5月13日，瑞士保罗谢尔研究所学者安德烈·朴热弗特领导的一个研究小组，在《自然·通讯》发表研究成果称，在大城市中，两冲程踏板摩托车排放的尾气，可能在车辆带来的空气污染中占据主导地位。研究结果表明，对两冲程踏板摩托车实行更严格限制，可以在全球范围内改善很多城市的空气质量。
笼罩在世界上很多大城市上空的有害雾霾，来自于车辆排放，即汽车、卡车和摩托车喷出的尾气中的挥发性有机化合物。尽管对于载人汽车和卡车的管理相对严格，但对于两冲程踏板摩托车的管理却松得惊人，所以当欧洲预测到2020年，踏板摩托车排放的挥发性有机化合物，将会比其他所有车辆加起来都多时，这些踏板摩托车就成了一个大问题。
朴热弗特研究小组，对欧洲两冲程踏板摩托车的尾气，进行了化学分析。结果显示，空转的两冲程摩托车尾气当中的挥发性有机化合物，是其他交通工具的124倍，这让踏板摩托车进入了“超级污染”行列。
该研究小组建议，尽管踏板摩托车数量在所有交通工具中只占较小部分，但在泰国曼谷等踏板摩托车数量较多的城市中，两冲程踏板摩托车，它排放的尾气形成的污染物，在初级有机气溶胶中约占60%～90%。
目前，中国已经认识到两冲程踏板摩托车的危害，并且早在20世纪90年代，就开始在一些主要城市，对这些车辆进行限制，从而显著减少了和交通相关的芳香族化合物的排放。这项研究的结果，意味着世界其他地区也可以受益于类似的对芳香族化合物限制。
2.破坏臭氧层物质研究的新发现
（1）发现一氧化二氮已成首要消耗臭氧层物质。2009年8月28日，美国国家海洋和大气管理局，地球系统研究实验室一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们研究发现，一氧化二氮也是一种温室气体，未来如果能够限制一氧化二氮的排放，不仅将有效加速地球臭氧层的恢复，并且还能减缓气候变化。
一氧化二氮又称“笑气”。美国研究人员说，这种无色有甜味的气体，已经成为人类排放的首要消耗臭氧层物质。他们利用数学模型推算出，人类通过使用化肥、化石燃料等每年向大气中排放约1000万吨一氧化二氮，如果人类不采取措施限制其排放，它将成为21世纪破坏性最大的消耗臭氧层物质。
研究人员表示，根据1987年通过的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，人类逐步削减氯氟烃、含溴氟烃等消耗臭氧层物质的使用，但一氧化二氮的使用和排放不受议定书限制，其对臭氧层的破坏作用也越来越明显。
臭氧层是指距离地球25～30千米处，臭氧分子相对富集的大气平流层。它能吸收99%以上对人类有害的太阳紫外线，保护地面上的生命免遭短波紫外线的伤害，因此被誉为地球生物的保护伞。人类活动曾导致南极上空的臭氧层出现大面积空洞。
（2）发现四种破坏臭氧层的新气体。2014年3月，英国东英吉利大学一个研究小组，在《自然·地学》杂志上发表论文指出，他们对空气成分（这些空气有的采自20世纪70年代）进行多次分析后，发现了新的物质，它们在大气中的积累让人感到不安。
研究人员说，臭氧层的空洞没有封闭，这令科学界为之担忧。他们最近发现，四种破坏这个大气保护层的新气体，但尚不清楚它们从何而来。
位于地面上空约30千米处的臭氧层，在过滤紫外线方面发挥着重要作用，过强的紫外线能致癌，并影响动物的生殖系统。1985年，英国科学家发现南极臭氧层出现一个空洞，这促使国际社会在1987年签订保护臭氧层的《蒙特利尔议定书》，以限制破坏臭氧层气体的排放。当时，专家们确定氯氟烃物质，会破坏臭氧层。这些氯氟烃物质，是20世纪20年代发现的，被广泛应用于气雾剂和制冷剂，它们可存在50～100年。
然而，最新研究显示，20世纪70年代之前的空气中，还有人类生产的未被发现的新气体。这四种新气体，进入大气的方式尚不清楚，其中三种气体含有氯氟烃成分，另一种是氟氯化碳。
专家在分析20世纪70年代，以不同方式获取的空气样本，以及从格陵兰冰雪层中获得的气泡时，发现了这些新气体。科学家估计已有大约7.4万吨的新气体排放到大气中，并以令人担忧的速度累积，虽然它们破坏臭氧层的速度很慢，但也因此可能长时间停留在臭氧层中，即便采取限制排放的措施也无济于事。
科学家表示，不清楚这些气体是从哪里释放出来的，可能的来源包括杀虫剂或者清洗电子元件的溶剂等化学品。
3.二氧化碳减排和捕获研究的新发现
（1）发现能促进植物吸收更多二氧化碳的蛋白质。2011年7月，日本名古屋大学教授木下俊则领导的研究小组，在美国《当代生物学》杂志网络版上发表论文说，他们在利用十字花科植物拟南芥进行的实验中，首次发现催促植物开花的FT蛋白质，还具有调整叶片气孔开闭的作用，较多的FT蛋白质，可促进植物“深呼吸”，从而吸收更多二氧化碳。
在通常状态下，植物在感受到蓝光以后，会为进行光合作用而打开气孔，吸收二氧化碳。但该研究小组发现了一株即使感受不到蓝光，也会打开气孔的拟南芥。经过分析，研究人员发现其遏制FT蛋白质生成的功能遭到了破坏。
研究人员猜测，有可能是生成的FT蛋白质过剩导致这株变异的拟南芥的气孔一直张开。于是研究人员在野生拟南芥中的气孔部分增加了FT蛋白质，结果发现气孔大大张开，而减少FT蛋白质后，气孔就会变得难以打开。
研究人员说，如果操作FT蛋白质，就可以人为打开植物的气孔，或许能使植物更多地吸收大气中的二氧化碳，防止地球变暖。
（2）发现陆地吸收二氧化碳数量突然增加。2012年7月12日，新西兰《先驱报》报道，新西兰皇家水与大气研究所科学家米卡罗夫·弗莱彻博士参加的一个国际研究小组，在调研二氧化碳排放分布时发现：如果不是陆地吸收二氧化碳数量“不明原因”地增加，过去二十年间全球变暖速度会更快。