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PM2.5造成了灰霾天气

与其他气态污染物不同的是，除了直接危害人类以及动植物健康，PM2.5还能通过对阳光的吸收和散射效应降低能见度，也就是造成灰霾现象。正因为这个特点，普通公众也能通过对能见度的感知来“判断”空气污染程度。PM2.5造成的能见度降低会殃及农作物产量以及其他植物的生长。另外值得提及的是，PM2.5的组分之一炭黑对光的吸收还能产生温室效应，并被政府间气候变化专门委员会（IPCC）确定为除了二氧化碳和甲烷之外的第三大温室效应贡献物种。因此控制炭黑的排放，既有利于人类健康，还有利于防止气候变暖。

PM2.5颗粒非常细小，人眼是看不到的，那么它为什么会造成灰霾、影响能见度呢？大气颗粒物对能见度的影响主要是通过对光的吸收和散射。颗粒物中对光吸收最强的是炭黑。在煤烟型污染的地区，例如20世纪中叶的“雾都”伦敦，大气中的炭黑颗粒对能见度的影响比较大。随着对燃煤污染的控制和治理，在很多地区，由于颗粒物对光的吸收作用而对能见度产生的影响已不是很重要，而颗粒物对光的散射作用成为影响能见度、形成灰霾的主要因素。

大气（包括空气与颗粒物）散射是一种非常重要的自然现象，只不过我们已对它熟视无睹了。实际上，每天进入我们眼睛的光绝大部分都是散射光。如果没有大气散射，就会像在太空中一样，除了太阳、灯光等光源本身和它们直接照射到的地方外，都将是一片漆黑。

颗粒物对光的散射作用，与它的粒径有密切关系。当微粒的粒径比光的波长小很多，例如小于波长的1/10时，产生的散射称为瑞利散射（Rayleigh Scattering），它是以英国物理学家约翰·瑞利（John Rayleigh，1842〜1919）的名字命名的。晴朗的天空中，空气分子以及空气密度的涨落都会对阳光形成瑞利散射。瑞利散射光的强度和入射光波长的4次方成反比。因为蓝光波长很短，所以其散射强度很大，这就形成了晴朗时的蓝色天空。

当颗粒物的粒径与光的波长相当时，发生的散射被称为米散射，这是以德国物理学家古斯塔夫·米（Gustav Mie，1869〜1957）的名字命名的。可见光的波长范围在400〜700纳米（即0.4〜0.7微米）左右，所以粒径在此范围内的颗粒物对可见光的散射主要是米散射，而这个粒径范围恰恰属于PM2.5 。因为米散射的散射强度比瑞利散射大得多，故而PM2.5对能见度的影响最大。米散射的强度与入射光波长的二次方成反比，对光的波长不如瑞利散射那样敏感，所以在雾霾天气里，天空的颜色不会发蓝，而是呈灰白色。另外，米散射的强度除了与入射光波长和颗粒物的大小有关外，还与颗粒物的折射率有关，而颗粒物的折射率是由它的化学成分决定的。例如，空气湿度大的时候，颗粒物的含水量高，对光的散射作用就强。这就是为什么在污染严重且空气潮湿的情况下，天空最容易变成雾蒙蒙的。

颗粒物中不同化学组分对能见度降低的贡献程度是不一样的。综合考虑对光的吸收和散射作用，在颗粒物浓度相同的情况下，炭黑对能见度的影响最大，其次是有机碳、硫酸铵以及硝酸铵。其中硫酸铵和硝酸铵的贡献与空气的相对湿度（某温度时空气中水的蒸气压与同一温度下水的饱和汽压的百分比）有密切的正相关关系，即它们对能见度的影响随着相对湿度的上升而增大。

（本文发表于《科学世界》2012年第6期）