最新研究表明，空气中硝酸铵的快速生成，可能是导致雾霾的主要原因。而控制汽车尾气排放，是减少硝酸铵生成的最简单措施。

迷雾中的女孩 | 图虫创意

作者 | 宋秦平 （日本名古屋大学环境学博士）

编辑 | 张昊

责编 | 高佩雯

你是否有这样的疑惑？冬日里，明明前一天还碧空万里，翌日霾说来就来。如果去看气象数据，就更奇怪：各种主要大气污染物指标明明都在下降。这是怎么回事？

最近（5月13日），发表在《自然》上的一项最新研究为我们揭示了其中奥秘：空气中两种化学物质——氨气与硝酸气体的相遇 ，是造成雾霾的重要原因。它们凭借超快的反应速度，成为致霾的主力。

城市中的空气*手

霾的本质是细颗粒物污染，也就是俗称的PM2.5（直径小于2.5微米的颗粒物）。但PM2.5不会凭空生成，而是从一个细小的核开始，慢慢长大变成雾霾颗粒。

空气中的二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等气体，为核的形成提供了可能。它们通过相互之间的化学反应，生成直径仅几个纳米的微颗粒，再慢慢长到稳定（PM2.5）的尺寸。

在这些气体中，氨气（挥发性有机物的一种）被认为是雾霾形成的关键。

作为大气中唯一的碱性无机物，它会优先与二氧化硫（可生成硫酸）反应生成稳定的硫酸铵；再与氮氧化物（产生的硝酸气体）反应，生成硝酸铵颗粒。

硝酸铵具有半挥发性，在高温情况下，会分解变回氨气和硝酸气体；但在冬季的冷空气中，则可能大量生成。——这正和雾霾形成的季节对应。

之前，人们普遍认为，硝酸铵并非大气污染的“真凶”，因为它的量并不大，顶多算是个“从犯”。

但新研究发现，硝酸铵致霾不是靠量，而是靠极快的生成速度。

研究人员（在实验室条件下）观察了冬季许多城市的大气颗粒物通过硝酸铵凝结生长的情况，结果发现，它们的爆发式增长可以在特大城市瞬间发生。

霾中的日本大阪 | 作者拍摄

“神速”生成的秘诀

正常情况下，大气中的小分子会逐渐聚集成小团簇，然后进一步吸附小分子，直至形成稳定的颗粒物。

但城市中颗粒物浓度本身很高，这些团簇在生成之前便会受到现存颗粒物的影响，绝大多数会被其吸附，与之融合，而不会“另起炉灶”。

所以，如果新颗粒物不能在短时间内大量生成，就会成为现存颗粒物的一部分，仅会增大其尺寸，而不会增加浓度。这对空气质量显然是有利的：颗粒大而少，较不容易引发雾霾。

但实际的新颗粒形成率却高的惊人。研究发现，在已知的冬季大城市的基本气候条件下，硝酸铵可以帮助各类团簇快速生长，在被其他现存粒子融合之前，就达到稳定粒子的大小。

这都因为硝酸铵对温度的强依赖性。

在不同温度下，硝酸铵会在气体和固体之间形成平衡。当温度较高时，它会偏向变成气体（分解成氨和硝酸），当温度较低时，则偏向成为固体。

实验显示，当温度低于5℃时，空气中的氨气和硝酸气体就很容易越过平衡，快速凝结生成直径数个纳米的固体小颗粒。并且，在不同温度区间，它们的行为也有所不同：

在零下15°C到（零上）5℃之间，这些硝酸铵小粒子，不会独自积累形成颗粒物，而是会加入到其他小团簇上，助其迅速生长。在零下10℃，这些小团簇的生长速度比5℃时要快200倍。

而在低于零下15℃时，硝酸铵的生成更加有利，它们会独挑大梁，直接形成以硝酸铵粒子为核的小团簇。这一过程可能发生在热带对流云层顶部的潮湿空气中。

城市上空突变的环境

可以看出，硝酸铵粒子的形成，需要较低的气温条件。但有时候，城市整体气象条件并不利于粒子的生成，霾还是会不期而至。

这又是怎么回事呢？还是一个平衡的问题。

城市中高低不一的建筑、纵横交错的街道、以及川流不息的机动车，形成了不均匀的污染物排放。而城市上空的气温，也因为复杂的城市构造和人为活动，出现极大的不均匀和不确定性，经常是几米的范围内就可能出现几度的温度变化。

这都为硝酸铵的生成创造了条件。研究显示，氨和硝酸生成硝酸铵的快速反应几分钟便可完成，城市内不同地点的骤然降温，短短几分钟内就可产生大量新颗粒物。

这样，在冬季整体气温偏低的情况下，雾霾频繁造访就毫不奇怪了。

城市中不均匀的污染物和不均匀温度，形成大规模涡流 |ref2

绿色出行最利蓝天白云

我们不可能改变城市结构，也无法控制城市气温。但是在污染物排放上，还是有一定的努力空间。

氨气的主要污染源来自农业，包括种植业的氮肥、畜牧业的牲畜排便等；而硝酸则来自氮氧化物的光化学反应，其主要污染源就是汽车尾气。

二者相比，最好控制的是硝酸，这也印证了为什么车辆限行后，空气明显好转了。因为氮氧化物少了，硝酸少了，硝酸铵生成的可能性也就降低了。

硝酸铵对雾霾的形成具有极强的加速效应，而PM2.5对人体健康具有很大的危害。为了更好的呼吸，我们日常生活中就应有意识地减少含氮化合物的排放，比如，尽量绿色出行，以公交代替私家车，以自行车和步行代替机动车等。

相信在大家共同努力下，蓝天白云会离我们更近。

参考文献

[1] 国家大气污染防治攻关联合中心：区域空气质量改善明显，但大气污染防治仍任重而道远。https://mp.weixin.qq.com/s/5KoDFQrqtmJ4OXiL3LWlug

[2] Wang M, Kong W, Marten R, et al. Rapid growth of new atmospheric particles by nitric acid and ammonia condensation: data resources[J]. 2020.

[3] Harrison R M, Pio C A. An investigation of the atmospheric HNO3–NH3–NH4NO3 equilibrium relationship in a cool, humid climate[J]. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 1983, 35(2): 155-159.

[4] Young D E, Allan J D, Williams P I, et al. Investigating the annual behavior of submicron secondary inorganic and organic aerosols in London[J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2015, 15(11): 6351-6366.

[5] Coe H. Airborne particles might grow fast in cities[N]. Nature News and Views, 2020.

[6] Griffith S M, Huang X H H, Louie P K K, et al. Characterizing the thermodynamic and chemical composition factors controlling PM2.5 nitrate: Insights gained from two years of online measurements in Hong Kong[J]. Atmospheric Environment, 2015, 122: 864-875.

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