“嗅探空气”技术揭秘臭氧杀手

科学家们利用化学监测技术,通过"嗅探空气",帮助保护大气臭氧层免受非法排放的侵害。 Image copyright Getty Images

一座位于火山一侧,海拔4,000米的研究站监测到了一个重要信息:尽管有国际禁令,某处有人正在排放对臭氧有害的污染物。

美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的蒙扎克(Stephen Montzka)是第一个注意到此状况的。自2013年以来,他一直在分析于不同地点收集的空气数据。测量结果表明,大气中危险化学品氟利昂(CFC11, 多年前被广泛运用于制冷剂和发泡剂,因对臭氧产生破坏而被禁用)的消退速度减缓了,这与科学家的预期不相符合。

"这一发现令人感到惊讶,我决定要进一步确认。"他回忆时说道。

而莫纳罗亚天文台(Mauna Loa)的数据证实了他的猜想。自20世纪50年代以来,巨型夏威夷火山上的莫纳罗亚天文台不断监测着从太平洋飘过的空气数据。2018年5月,发表在《自然》杂志上的一篇文章详细揭示了令人担忧的发现——飘过太平洋的氟利昂来自于东亚。

如今,寻找污染源的国际调查正在展开。若没有这些初步监测数据,这个调查可能永远不会开始。通过"嗅探空气",监测其中各种气体的水平,科学家们能够检测出污染物的存在。科学家们如何进行监测?当他们发现可疑状况时,会怎样应对?

1996年,根据重要条约《蒙特利尔议定书》,氯氟烃(CFCs),或被称为氟氯化碳(Chlorofluorocarbons)的物质在国际上被禁止使用。通过该条约,世界各国确定了保护臭氧(一种大气中的微量气体,可阻挡太阳紫外线辐射)的措施。氟氯化碳含有破坏臭氧的氯气,氟氯化碳在大气中逗留时,氯气会逐渐从中游离出来。在产品中和生产过程中停止使用氟氯化碳,意味着它们的存量应该会持续的加速下降。

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Image caption 如果没有妥善处理,空调和冰箱等普通家用电器会释放出氟氯化碳到空气中。

但蒙扎克和同事们注意到,自2012年以来,一种特定氟氯化碳的下降速度并没有加快反而减缓了。

英国气象局的曼宁(Alistair Manning)表示,有各种各样的证据表明,氟利昂可能的新来源为东亚。这包括北半球和南半球大气氟利昂数据呈现出明显的梯度或差异。

"南北半球缩小的梯度开始再次扩大,这意味着在北半球可能有新的污染源",他说道。

这还不足以证明有人正在排放更多的氟利昂。但莫纳罗亚天文台的数据证实了这一点。曼宁能够使用气象局的大气扩散建模工具来确认这种潜在的新氟利昂可能来自何处。他发现,蒙扎克在莫纳罗亚天文台获得的氟利昂测量数据较低时,都是来自东亚的风力较弱的时候。

"这是另一个证据,说明在东亚的某种活动正在导致着污染物排放量的增加",曼宁说道。

当消息传开,禁用气体可能正在从东亚流出,许多人都密切关注。例如,联合国已针对此事展开调查。《自然》杂志的论文也引起了环境调查署(EIA)的注意,这是一个反对环境犯罪和滥用的慈善机构。

"我们一读到它......就意识到这是一个非常重要的事情",该机构的活动家佩里(Clare Perry)说道。

佩里和她的团队立即开始在中国寻找氟利昂的来源。研究人员联系了几家中国公司,它们都调配过化学品或是直接生产隔热用的泡沫材料, 这种材料中含有氟利昂。中国公司的答复很坦诚。一家公司的代表说:"我们购买氟利昂并混合使用。事实上,没有人会来检查我们的加工工作。"

总的来说,环境调查署表示,已收到18家公司的回复,称他们皆以某种形式使用氟利昂,通常是在将绝缘泡沫吹入家用电器和建筑物时使用。

现在面临的挑战是,如何证明这就是氟利昂的排放来源:数量高达每年1300万公斤,蒙扎克及其同事表示。

"嗅探空气"听起来很简单,但实际测量大气中分子或粒子的科学原理是十分复杂的。用于检测莫纳罗亚天文台中氟利昂的方法是气相色谱法(gas chromatography),这种方法将空气样本中的气体沿着长的盘管分离。当它们沿着管子飘动时,测量并比较它们到达另一端的速率。较大的颗粒比小的颗粒更慢地到达。质谱法是通过质量鉴定分子,通常与色谱法结合使用。

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Image caption 气相色谱法可用于各种目的。在实验室它被用于分析血液酒精含量。

然后是测量漂浮在空气中的微粒,微小团块,固体或液体所需的仪器。

通过将光线穿过一列烟雾,测量光线如何从粒子侧面散射,可完成这项任务。这种测量工具今年意外地得到了实际运用。在今年6月份,英格兰北部的萨德尔沃思沼泽(Saddleworth Moor)发生了一场大型野火,火势之大,从太空中都可以看到一股烟雾。

但火灾造成了多少污染?肉眼无法辨认。为了找到答案,科学家使用了一组用于测量曼彻斯特大学空气质量的仪器。他们发现了浓度极高的微粒,都是高度污染物。颗粒来自有机物,植物,因为燃烧和阴燃产生。实际上,野草没有火焰、缓慢燃烧,释放出大量颗粒物质。

与氟氯化碳一样,关注大气环保,部分工作是观察各国是否准确报告了他们在特定时期内排放的某种污染物的数量。这通常是环境保护法规要求的。

有时候,这种观察和评估还会带来好消息。

今年早些时候,一篇论文认为,加利福尼亚似乎准确地报告了化石燃料二氧化碳(CO2)的排放量。为了核查,伦敦帝国理工学院的格雷文(Heather Graven)和她的团队使用加速器质谱法测量大气二氧化碳中不同种类碳的比例。碳14是一种新的轻微放射性碳,在大气中自然产生。化石燃料碳已存在数百万年,并因此腐烂成为碳12,其质量略小且不再具有放射性。因此,大气中碳14与碳12的比率较低表明化石燃料的二氧化碳排放量增加。

"根据我们拥有的数据,并结合大气模型,我们发现我们观察到的与我们预期的非常相似",格雷文说。

"借鉴大气测量数据,科学家正在对加利福尼亚报告中数据的准确性进行初步验证"。

大气悬浮颗粒不仅能显示化石燃料污染或禁用化学品的排放,还可揭示未被报告的核武器和核能工业中放射性物质的使用状况。

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Image caption 如萨德尔沃思沼泽火灾,野火污染最严重的阶段就是阴燃。

世界范围的放射性核物质监测网络不断采集空气样本,以收集实时的放射性数据。地球上发生核事故或核试验之后,放射性同位素或放射性核物质被释放到大气中并被风吹散。全球各地的监测站每天对空气进行一次采样,辐射探测器可以确定有哪些同位素存在。

2017年10月,法国核安全机构(IRSN)披露,一些欧洲监测网络检测到一种奇怪的放射性核元素——钌106(ruthernium-106)出现小高峰。

法国核安全机构很快就确定,空气中如此浓度的钌106不会对人体健康产生危害,但发现这种特殊的同位素让人担忧,该机构的拉肖姆(Jean-Luc Lachaume)回忆道。

"这种同位素的活动水平完全不同寻常",他说,"该放射物是核设施事故或意外所形成的。"

我们知道这一点,因为特定种类的核活动会导致特定放射物的溢出。拉肖姆举例说,你可能会在大气中看到一些碘131,因为它与医院使用的放射性物质有关。钌106却是十分罕见的。

公共信息,包括一些在网上发现的信息,引起了法国核安全机构研究人员的怀疑:放射性核元素来自于玛雅克(Mayak),一座位于俄罗斯的同位素工厂。该工厂原定于2017年生产铯144。制造该同位素的过程会产生钌106。更重要的是,就像调查CFC-11的来源一样,研究人员对风力模型进行了分析,结果指向了俄罗斯东部。

是玛雅克工厂的事故导致了钌106在无意中被泄漏并散播到了欧洲吗?

调查中,俄罗斯官员表示玛雅克并没有发生安全事故。由于缺乏确凿的证据表明玛雅克为其确切来源,拉肖姆一直不知道该如何做。

"宇宙中有一些解不开的谜团",拉肖姆说,"我想这就是其中之一。"

但随着世界各地的科学家们"嗅探空气",一些谜团变得越来越容易解决。在核事故或非法、未报告的排放之后,科学家们通常是第一个知道的,他们也是揭示这隐形真相的先驱。

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