张旭独立科学实验室SciX Lab 创始人,组织开展猎陨、SciX空气净化方案、罗布荒漠地理发现科考等。

科学战霾

2014-10-26上海
其实这十年以来,北京地区PM2.5的浓度年均增幅并不剧烈。那么,为什么这两年我们突然强烈地感觉和认知到有一种叫雾霾的东西?
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科学战霾

张旭 2014-10-26

我和我的一些科学客朋友创办了一个独立科学组织SciX。Sci是科学的前缀,洞察力的意思,X是未知。我们会去做那些我们感兴趣并且有一定科学价值的事情,结果,为了我们的兴趣,也为了帮助我们自己,我们摊上了一件跟每个人都息息相关的事情,那就是空气。

实际上,很多年前我们就注意到空气的问题了。2013年,当我们还在罗布泊进行科学考察的时候,我一个朋友从北京打来了电话,他直接问我说,我该用什么样的口罩,要用什么样的净化机,隔了一天他又来问我说,我还应不应该在北京工作,是不是要离开?

我就问我的朋友,我们一年前将非常昂贵的科学设备布置在你家里,希望帮你设立一套你自己呼吸保护的方案,结果被你拒绝了。为什么一年之后我们已经在沙漠里面了,你还不厌其烦打来电话,也不顾电话信号总是断。

他说,你们当时说的那种奶白色的空气,我以为只是偶然现象,但现在已经持续六七天了,我感觉到恐惧,你能不能回到北京来,帮助一下我们。

这种奶白色空气,也就是我们常说的雾霾现象,背后是一种叫PM2.5的微颗粒物引起的,上海地区对雾霾的认知大概是从去年冬天开始的吧,北京地区是从2012年末、2013年初开始的。

大家现在一般都知道PM2.5的意思是直径小于等于2.5微米的颗粒物,那么为什么把2.5微米定下来作为标准,不是3,也不是5?

因为空气中从0.01微米直径到100微米直径的尘埃,按照重量和质量的分布,基本上没有什么2.5直径微米的粒子,大部分是集中于2.5以上和2.5以下的两端,所以用2.5断开。

那么雾霾现象是因为PM2.5急剧增加而引起的吗?实际上,我们可以看到美国大使馆监控的数据,从2009年开始,PM2.5在北京的大气组分中年均值没有太大的变化,在1999年和2005年,我国的科学家已经侦测到当时我国首都北京的PM2.5年平均值已经接近100。

也就是说,大概10年以来,我们的PM2.5在北京地区没有太大的变化,但为什么这两年我们才认知到有一种叫雾霾的东西,才认知到PM2.5是什么?

2009年末的时候,美国大使馆在自己的馆区内放置了一台很昂贵的PM2.5检测设备。他们每小时侦测一次北京的空气质量,并且把它发到推特上,原因是他们要给美国国务院施加压力,因为按照美国法律,是有一个叫做Hardship Differential Allowance的补助,专门补助给在艰苦地区或者影响健康地区的员工的。

他们的行动通过推特,使美国国务院在几个月之后,给美国驻中国的大使馆涨了15%的工资,给各领事馆分别涨了15%到30%的工资。

这件事情之后美国大使馆没有停止PM2.5的播报,所以我们有了第一次关于北京的小时平均的PM2.5的数据,这个数据很如实地反映了这几年PM2.5的变化,但是我们会发现一件事情,它没有增也没有减,但为什么这两年雾霾会产生?这也是为什么当时我的朋友问我,你们当时是怎么预测到这场灾难的?

这是2010年全国的PM2.5的变化,这是同年的人口分布图,我们可以看到,美国刚要修改美国的国家标准,把15微克每立方米的年平均值降到12微克,估计是明年1月1号开始执行12微克这个位置。

我们可以看到我们中国基本上没有多少地方可以符合这个规定。美国的立法是源于一个叫C.A. Pope的研究员,他在80年代就对PM2.5进行了百万人长达十几年的跟踪,他得出一个结论,PM2.5每上升10微克,我们人口的相对死亡风险上升4%,因为心血管疾病引起的死亡风险要上升6%,因为肺癌引起的死亡风险上升8%。

很多人在做这个运算,北京地区差不多是100,上海地区差不多也是这个数值,因为这是一个利滚利的关系,也就是说,到了200微克的时候,基本上相当于给心脏病人抽烟。

我们说年平均值,因为所有的相对死亡风险,在美国CDC的网站上都可以有标准数据换算的,我们看一下北京的值,分别是2012、2013和2014年北京的PM2.5的变化,大家可以看到除了2013年的1月和2014年的2月之外,其它月份北京的PM2.5没有任何的变化。

而在2012年我们对这件事情基本上是不觉知的,这是因为PM2.5虽然浓度较高,但是没有给我们引起视觉上的震撼。

随着全球气候变暖,我们注意到暖冬现象越来越普遍,而冬季气温较高的时候,就容易发生一种特别奇怪的现象叫逆温,就是在整个城市冷空气铺在下面,热空气在上面,就会导致整个城市空气不流动。

整个城市空气不流动的情况下,就会让全部的本地产生的颗粒物一直留在空气中,慢慢地空气就会像果冻化一样凝固,最后形成雾霾。那么全球气候变暖一直在进行,所以以后雾霾的现象会越来越普遍。

实际上这次灾难由来以久,在北京地区2008年时候,科学家获得了一次很好的机会,是一生一次的机会,因为北京要开奥运会,因为奥运会就会关停电厂,然后使用更好的燃油,限制车辆,北京的PM2.5在那几个月里面较之平时低了一半。

来自美国的研究员Jim张选取了100多位20多岁年轻的、没有任何疾病的的青年,连续性地进行测量,结果发现在奥运会前、奥运会中和奥运会后,PM2.5在变化的过程中,当时都没有到100微克,就在几十微克的范围内浮动的时候,所有这些人的心跳、舒张压收缩压和白细胞数量,还有跟中风相关的酶都发生了变化。这篇文章最后发在美国医学会杂志(JAMA)上,是我们第一次把PM2.5和微观的身体体征结合在一起。

同样在2009年,黄微研究员研究了上海的空气,发现上海的空气,每少看统计学上的8公里,总死亡率上升2.17%,心血管疾病的死亡率上升3.63%,也就是说我们在上海,大家出去哪天透析度下降了,我们的死亡率就要上升。

这是上海的年平均值,除了在2013年的12月份之外我们可以看到,12 13 14的变化都不是特别大,我们越来越普遍对雾霾的关注,实际上是因为冬季空气越来越不容易流动引起的。

PM2.5随着这场自然现象引起了我们的关注,那么我们首先要看一下PM2.5是怎么通过呼吸道来影响人的。我们在空气中存在的各种污染物按照粒径分,从TSP可悬浮颗粒物到PM10到PM2.5,粒径越来越小,我们发现,当我们从鼻腔呼入空气的时候,绝对大部份在PM10到PM2.5之间的粒径会被鼻腔吸收。

超过鼻腔的更小的粒径,鼻腔的吸收能力越来越差,然后肺部的吸收能力也不增强,然后呼吸道的吸收能力还是很弱,我们看到的空气就会小的粒径就会通过气管,到支气管再经过肺泡直接传入到血液当中。

最有意思的这些颗粒物被留在气管上的时候,这是气管上的纤毛,纤毛会将颗粒物不停地摆动,最后输送到喉部,成为痰出来。1999年的论文中证明,在北京市的PM2.5中,69%是硫酸根、硝酸根和氨根,上海这一比例是41.4%。

大家知道,这三种东西溶于水是什么吧?硫酸、硝酸和氨水,也就是说本来是颗粒物的PM2.5最后到了呼吸道上,和呼吸道的粘液作用会变成硫酸硝酸和氨水。

我们呼吸道上的纤毛就象草坪一样,最后会变成大学足球场的样子。那么进入到血管中的气泡,因为大部分的PM1到PM0.1之间的颗粒物不吸收的情况下就会进入血管,进入血管的可溶性颗粒物就很容易引起血管的炎症,因为血管受到硫酸、硝酸和氨水的作用的时候就会发生硬化,所以引起心肺疾病的危险也非常大。

这对我们而言是一场灾难,但是我们并不知道怎么应对。我们SciX调查了大量的科研论文,其中最重要的一篇是发表在《柳叶刀》杂志上的一篇文章,这篇文章用了G20国家,排出了所有的疾病负担因素,我们可以看到PM2.5占中国疾病负担的第4位,即便在有洁净空气法15微克即将改为12微克每立方米年平均值的美国,PM2.5的污染也占有很大的份额。

瑞典是空气最洁净的国家之一,即使在瑞典,PM2.5也是有很大的疾病负担。面对这样的疾病灾难的时候,我们就想,如何帮助我们自己进行自救,所以我们去研究了整套呼吸保护的解决方案,不仅察看了论文,还查阅了实验室。

最后我们为了了解家庭的情况,自己独立把科研仪器全部凑齐。我们凑齐了科研仪器,做了很多工作发现,整个呼吸保护方案还是相对非常复杂的。有三件事情可能是避免不了的:第一件是洗鼻,第二件是猪鼻子口罩,第三件是空气净化机。

刚才大家注意到,PM10到PM2.5之间的大部分的颗粒物全部被鼻腔捕获了,被鼻腔捕获的颗粒物是人类在进化史上不存在的一种浓度,所以人体自身的排除机制不满足,能将它很快地排出,那么鼻腔的免疫力负担就非常大,所以对鼻腔进行按时的清洗是非常重要的。

清洗的方法就是通过非碘盐加纯净水,然后用嘴呼吸的方式,将水流注入一个鼻腔,然后它会从另外一个鼻腔将粘液和所有的污染物全部带出来,反过来再从另外一个鼻腔来走,听起来非常可怕,但是这是面对我们的雾霾的过程中一个不得不操作的因素。

第二个是口罩。口罩是减少我们在PM2.5暴露时间一个很重要的因素。口罩的类型非常多,很多人都不知道该如何选取和如何使用,实际上口罩是每个国家的战略资源,每个国家都有非常严格的口罩技术标准的规定。

按照中国现有的PM2.5的污染,实际上应该选择中国国标KP95和KN95的口罩类型。P95口罩不仅可以去除95%的PM2.5颗粒物,而且可以去除伴随颗粒物一起存在的硫酸根、硝酸根和氨根,还有二氧化硫和二氧化氮。

最关键的是,我们也研究了怎么样在室内去使用净化机。因为减少暴露时间是我们解决在这场灾难中保护自己的唯一的方法,人有大概50%的时间会待在室内。至少,起码睡觉的三分之一时间是待在室内的,那么保护室内的空气洁净是非常关键的,而这一点其实并不容易做到。

因为我们用仪器去查过上百家的家庭,进行了两年的跟踪,我们发现大部分空气净化机在室内是不起明显作用的。为什么呢?比如说在这个环境里面,我们这么多人在呼吸,而通风设备非常有限,二氧化碳含量会超标。

实际上二氧化碳作为一种主要室内污染物,是受到严格限制的,大家可能都有感觉我们在上学的时候上课上到后半段都会发困,这是因为整个在学校环境里二氧化碳超标引起的。

美国欧盟对此都有严格标准,超过1200PPM就要强制下课,达到3500PPM,美国的劳工部就可以雇员告雇主。而我们在中国的环境里面,因为不大遵守民用建筑换气率标准,普遍认为家庭密封越严越好,所以就导致家庭二氧化碳普遍超标。

实际上民用建筑标准要求一小时能换0.4次的洁净空气到室内来,这是民用建筑标准。但它的前提假设是室外(空气)是洁净的,如果我们真正遵守民用建筑标准的话,所有欧系美系的净化机是无法在中国起作用的。

因为同样在这些国家也有民用建筑标准甚至有CDC美国疾控中心严格的防污的缝隙标准,在其他国家室外空气是洁净的,室内的污染如果不被净化机处理,就会通过另外一个通路处理,就是内外换气。

但在中国,门窗不是一个净化源,而是一个污染源,我们不但要解决室内的甲醛二氧化碳和颗粒物问题,同时还要不断解决顺着门窗慢慢渗入的颗粒物问题,那么最后这个问题就变成一种二氧化碳甲醛和PM2.5和空气净化机的相互对抗关系。

在这种对抗关系下,去做一套适合的空气净化机,其实并不容易。我们可以看到这样一张图,这是两个洁净空气量完全不一样的空气净化机,它们的空气洁净量差一半,而这个换气率是按照倍数。

这是标准换气率,我们可以看到洁净空气量不一样的净化机,在同样的情况下处理的面积是刚好不一样的。而我们要对抗二氧化碳,我们的民用建筑标准虽然设立的很好,但是大部分家庭并不满足这种建筑标准,所以我们需要开窗将二氧化碳放出,将洁净空气导入,被导入的洁净空气,如果我们采用一台洁净空气量较小的净化机,是无法把室内净化干净。

这是因为随净化门窗随将PM2.5放进来,所以必须采用一种强力净化的模式将室内净化干净,同进净化干净之后。我们为了维持对抗净化,还得选用一种没有噪音的模式,让PM2.5从门窗渗入的过程中和空气净化机形成对抗,最后满足室内一直是达标的,进行这样一项工作并不容易。

我们筛选了绝大部份净化机,发现真正起作用的都是那些万元级的净化机,我们本来是想出一套解决方案,包括洗鼻包括怎么使用口罩,包括我们在什么天气下使用口罩,包括我们怎么用净化机,但是后来发现在净化这个环节上这一环断了,最后我们没有办法只好自己出手,用公共模具的方法将性能不停地提升,然后把它做到可以在中国环境下适应空气。

总之,空气净化机是一个在中国非常非常反经验反直觉的领域,在这个领域里面,外国的企业现在还不知道怎么去应对中国雾霾,中国的企业还正在开始学习要怎么去。

面对中国特有的净化环境,我们SciX不是一个拼外观和功能的家电企业,也不是靠跑分和滤层来拉升指标的互联网创业企业,我们是一个想通过科学解决方案,认认真真帮助大家去解决空气问题的一个创业团队,而面对如此复杂的问题的时候,去综合性地解决整个空气问题,还是要花很大的心力。

比如说,面对整个室内的甲醛污染的情况,在北京市是有60%的家庭甲醛超标的,这是因为我们使用的大量密度板家具含有脲醛树脂引起的,它的释放周期长达10年,而活性碳去除甲醛,因为和水存在竞争关系,活性碳慢慢吸附甲醛之后,随着水蒸汽的吸入,又会把甲醛慢慢释放出来,所以最后会形成二次污染。

这是标准换气率,我们可以看到洁净空气量不一样的净化机,在同样的情况下处理的面积是刚好不一样的。而我们要对抗二氧化碳,我们的民用建筑标准虽然设立的很好,但是大部分家庭并不满足这种建筑标准,所以我们需要开窗将二氧化碳放出,将洁净空气导入,被导入的洁净空气,如果我们采用一台洁净空气量较小的净化机,是无法把室内净化干净。

这是因为随净化门窗随将PM2.5放进来,所以必须采用一种强力净化的模式将室内净化干净,同进净化干净之后。我们为了维持对抗净化,还得选用一种没有噪音的模式,让PM2.5从门窗渗入的过程中和空气净化机形成对抗,最后满足室内一直是达标的,进行这样一项工作并不容易。

我们筛选了绝大部份净化机,发现真正起作用的都是那些万元级的净化机,我们本来是想出一套解决方案,包括洗鼻包括怎么使用口罩,包括我们在什么天气下使用口罩,包括我们怎么用净化机,但是后来发现在净化这个环节上这一环断了,最后我们没有办法只好自己出手,用公共模具的方法将性能不停地提升,然后把它做到可以在中国环境下适应空气。

总之,空气净化机是一个在中国非常非常反经验反直觉的领域,在这个领域里面,外国的企业现在还不知道怎么去应对中国雾霾,中国的企业还正在开始学习要怎么去。

面对中国特有的净化环境,我们SciX不是一个拼外观和功能的家电企业,也不是靠跑分和滤层来拉升指标的互联网创业企业,我们是一个想通过科学解决方案,认认真真帮助大家去解决空气问题的一个创业团队,而面对如此复杂的问题的时候,去综合性地解决整个空气问题,还是要花很大的心力。

比如说,面对整个室内的甲醛污染的情况,在北京市是有60%的家庭甲醛超标的,这是因为我们使用的大量密度板家具含有脲醛树脂引起的,它的释放周期长达10年,而活性碳去除甲醛,因为和水存在竞争关系,活性碳慢慢吸附甲醛之后,随着水蒸汽的吸入,又会把甲醛慢慢释放出来,所以最后会形成二次污染。

因为美国早在70年代就有对甲醛的严格控制,所以在国外的净化机也不存在类似的方法,而我们直接把国外的技术照搬来用,就会有很大的问题,所以我们设置了整套的方案去解决关于甲醛的问题,并且给出了具体的更换周期和时间。

最终我们在这个问题上部分地解决了PM2.5的问题,它付出的代价非常大,第一个我们要把过滤器的更换速度变得很勤,即使我们使用了3M高容尘量的滤层,它的CADR值,洁净空气量,也会随着时间的使用慢慢地下降,第二个我们不得不使用紫外线进行生物灭活,并且去除病毒,第三个我们不得不对活性炭进行改性,以便它能去除甲醛。

我们本来是在做科学探险的过程中去转入了做空气净化这个课程,因为科学很多地方是相互关联的。 比如说,在古代希腊,第一个天文学家和第一个哲学家泰勒斯就是通过预言天气来积累财富的。

爱因斯坦是在氟利昂冰箱出现之前,造出了最好的磁冰箱,而我们知道氟利昂冰箱马上又要退出市场,又会回归到磁制冷的冰箱。

而有关于古生物大灭绝的问题,包括恐龙灭绝并不是由古生物学家和地质学家作出的,而是由一位在大学吃饭时候偶尔听到两位古生物学者讨论白垩纪生命灭绝现象的天文学系学生作出的,所以我们也将我们这些科学的精神用在了其它的项目上。

我们对宇宙奥秘是非常感兴趣,所以我们注意到在中国陨石有极大的富集机制,这是因为在沙漠和戈壁地带,有大量的地貌长达数十万年一直不变的,因此当我们把嫦娥卫星发到月球上去提取样品的时候,我们会跑到沙漠里用现代的科学技术去找陨石。

大家看到的这是我们在美国堪萨斯州找到的陨石。这是另外一颗和地球一样具备铁质核心的星体。它是在太阳系早期被撞碎之后留下的痕迹,有一部分铁质核心飘落在地球上。

古埃及古王国和中王国的第一个断代期的时候,有大量遗址消失了。科学家用过其他物质年周量变化大数据方法去搜寻失落的遗址。我们也使用的方法,在中国找出了《史记·汉书》上存在的一些遗址。

这种现象在科学史上并不鲜见,就象莱布尼兹说的,科学像大海,无边无沿,一个学科结束的地方又是另外一个学科开始的地方。