無所不在的氣膠

空氣中的懸浮微粒又稱氣膠,影響所及,除了有害人體健康,也會改變氣候,降低降雨機率,導致作物產量下降。它們從何而來?能否有效防範?

文/楊嘉慧;審稿/中央大學環工所教授 李崇德

近幾年,懸浮微粒造成的環境問題逐漸受到重視,它不僅影響健康,

也改變了區域性的氣候。在台灣,除了有本地排放的懸浮微粒,還有從海外飄來的,而後者有兩個主要來源:一是冬、春兩季,大陸高壓冷氣團從亞洲大陸帶來的大量沙塵及污染物;另一個是每年 3~4 月間,盛行西風帶來中南半島生質燃燒產生的污染物。

氣膠是什麼?
懸浮微粒嚴格來說應該稱為「氣膠」,泛指所有可以懸浮在氣體中的膠體,包含固態、液態、混合固液氣態的物質,以及有毒和無毒物等。自然界產生的氣膠有塵灰、火山灰、海鹽懸浮微粒(sea salt aerosol)等;人為的則有工廠燃燒化石燃料產生的微粒、交通工具排放的廢氣微粒、燒紙錢或燒香產生的黑煙及煤煙等;此外,細菌、病毒、孢子等生物微粒也都屬於氣膠。

氣膠懸浮在空氣中的時間長短,與其粒徑大小及當時上升氣流的強度有關,顆粒小、上升氣流強,氣膠懸浮時間會增長,濃度也會升高。氣膠 的粒徑範圍約在 100 微米(即 0.1 毫米)以下,一般熟知的飛沫粒徑約 5~30 微米、大陸沙塵暴帶來的塵粒大小約為 2~3 微米、汽機車排放的廢氣微粒約在 0.1~0.3 微米之間,甚至還有 0.1 微米以下的奈米碳粒。

中央大學環工所教授李崇德表示,氣膠從污染源排放後,在空氣的傳輸過程中,有可能越變越大,例如碳粒子會吸附氣態二氣化硫(SO2),二氧化硫與水分子、氧氣、氨氣、游離基等還可能反應生成固態硫酸鹽,使原本氣膠增大(見右圖);氣膠也可能縮小,如含水氣的氣膠在水份蒸發後即會變小。

粒徑越小,影響越大
通常 10 微米以下的氣膠懸浮在空氣中的時間較長,許多國家會依此制訂標準值,做為衡量空氣品質的依據,例如我國環保署就訂定 10 微米以下的氣膠(符號記做 PM10)於 24 小時內的平均值不應超過 125 微克/立方米(μg/m3),若氣膠濃度長期超過此標準值,對農作物生長和人體健康等都會帶來不良影響。此外,由 於更小的氣膠影響更大,有些國家會另外訂定 2.5 微米以下(PM2.5)的氣膠標準值,世界衛生組織建議的 PM2.5 標準值是 24 小時平均值不應超過 25 微克/立方米,美國的 PM2.5 標準值是 24 小時不應超過 35 微克/立方米,我國則沒有訂定此範圍的標準值。

氣膠濃度太高時,很容易被人體吸入而影響健康。若吸入的氣膠大於 1 微米,會被呼吸道攔截下來;0.3~1 微米容易隨氣流方向移動,吸進後再被呼出去的機率高;小於 0.3 微米的氣膠,布朗運動效應明顯(粒子會做連續快速而不規則的隨機移動),氣膠容易碰撞到肺部組織而沾黏至潮濕的表面,留在體內影響健康。像咳嗽時噴出的飛沬雖然都大於 5 微米,但飛沫含水氣,其表面蒸發形成外乾內濕時,可以小到只剩 0.3 微米而被吸入肺部。 

改變亞洲氣候的「褐雲」
氣膠也會改變區域性的氣候,其對氣候的影響分為直接與間接作用。直接作用是氣膠散射或吸收太陽輻射,若空氣中含有較多黑色的碳粒子,其吸收陽光的能力強,會使當地氣溫升高;若含較多硫酸鹽、硝酸鹽等,則會散射掉較多的陽光,使當地降溫。

間接作用是影響雲雨的形成。雲的形成除了要具備充足水氣與低溫外,還必須有微小的凝結核,把氣態水分子拉近。凝結核通常為吸水性佳的氣膠,如海鹽、硫酸鹽、硝酸鹽等。當水分子吸附在氣膠上,氣膠表面的鹽類就會潮解凝結成小雲滴;水份持續增加,小雲滴變成中雲滴,再彼此碰撞形成大雲滴,之後越變越大,就會形成雨滴。李崇德表示,適當濃度的氣膠,有助於雲雨的形成,但濃度若太高,在一定的水氣下,每顆微粒吸收的水氣變少,不易凝結成雨滴,反而會使雲停留在空中的時間增長,導致降雨率下降。含高濃度氣膠的雲通常呈黑褐色,又被稱為「褐雲」(atmospheric brown cloud)。

在亞洲,褐雲問題相當嚴重,主要是燃燒大量煤炭和木材,以及為開墾而燃燒森林等,使得亞洲褐雲組成的成份含有不少會吸收陽光輻射的碳粒子,造成大氣層溫度上升,使部份山區的冰川融化,例如喜馬拉雅山就出現雨季縮短、冰川加速萎縮的現象。亞洲褐雲的厚度可達數公里,該區地表能見度會因此下降,影響作物產量。

由此可知,小至個人健康,大至區域性氣候,氣膠所帶來的影響不可小覷,唯有調整人類的生活方式,例如減少燃燒煤碳、石油或紙錢,並且多搭乘大眾捷運系統以降低汽機車排放污染物等,將來才可能保有純淨的環境。

來自中南半島的氣膠
根據中央大學環工所教授李崇德的研究,自 2003 年開始的每年 3~4 月,台灣高空大氣氣膠硫酸鹽、鉀鹽、硝酸鹽、碳粒子等異常增多,尤以硫酸鹽最為嚴重。這些污染主要來自中南半島的生質燃燒,包含燃燒煤炭、為開墾農地而燃燒森林,以及焚燒農作物的殘枝與稻糠等。然而生質燃燒的過程不會產生硫化物,硫酸鹽是怎麼來的?

李崇德表示,中南半島燃燒生質時,會形成一股上升氣流,將鉀鹽、硝酸鹽、碳粒子等氣膠抬升到數千公尺的高空,而由盛行西風把氣膠傳向台灣。在傳送途中,氣膠可能吸附工廠排放的二氧化硫,後者經光照成激發態,或遇錳、鐵離子進行催化後,與氧氣、水會形成固態硫酸鹽,這些硫酸鹽就這樣被帶進了台灣。

延伸閱讀
《空氣污染防制實驗》,黃富昌、陳慶和、王宇傑、邱英嘉等著,新文京出版
〈野馬與塵埃--大氣懸浮粒子〉,王寶貫撰文,《科學發展》2003年10月號
〈變暗的地球〉,艾培爾撰文,《科學人》2004年9月號
《別讓孩子在毒物中長大》,韓柏檉著,原水出版
高中課本《地球科學》
高中課本《基礎化學》

 

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