客观日本

大气污染对策(4)

2011年12月28日 科技交流

大气环境诊断、预测技术的开发

首先介绍一下由本小组实施的与地球环境问题有关的大气环境诊断研究的部分工作。地球环境问题设想分为二类,一类是当日本排放的物质通过海洋与天空转移至地球的另一面而破坏该地区的自然环境,例如北半球排放的氟化合物对南半球平流层的臭氧造成破坏。另一类是随着经济的发展,全球各个地区均出现的环境恶化。在城市化过程中,随着大气污染、粮食增产以及消费的增加,氮、磷等元素流入海洋与河流并积聚的现象(富营养化)并不只在先进工业国出现。日本由于领土狭长,因此无法自由调查排放的物质在水平线的另一边究竟造成怎样的影响。对于在异地发生的事情只有在得到当地的配合后才能调查,然而这并不总是能够得到批准的。需要运用科学与想像力进行推测。例如,假如能在领土的交界处观察越过国境的空气的最后状态,或许可以为预测其今后的变化提供参考。基于这样的想法,在父岛与波照间岛对大气的组成进行观测。对于从地球另一面过来的空气,则在日本的最高峰——富士山山顶上进行采集与分析。下面进一步就分析中所使用的数值模型及其验证方法进行阐述。

大气中的微粒子(气溶胶)既可以从一开始就以粒子的状态存在于大气中,也可以由气体状态释放出来后通过光的作用或化学反应而变为粒子。尘埃等在粒子的状态下被卷起,火山喷发所放出的硫氧化物、汽车尾气所含有的氮氧化物等最终变为粒子。这些微粒子当中,较重的会落到地面,而较小的则长期在大气中飘浮。飘浮在空气中的微粒子之中,有的成为云滴的来源,有的则溶入云滴,当云滴增大为雨滴时,则落到地面而从大气中消失。有人质疑,这些微粒子有可能影响健康与地球气候。

在东京都小笠原村有一座小岛叫父岛。宇宙开发研究机构为了对从鹿儿岛县种子岛发射的人造卫星进行追踪与管制而在该岛上设置了相关设施。我们利用该设施而对大气微粒子进行了观测。用于测量不同大小微粒子的数量分布以及黑色碳浓度的装置设置于标高230m的位置(北纬27度04分、东经142度13分)。当冬天西北季风吹起时,父岛处于日本的下风头,而在夏天则岛如其名,成为亚热带高气压——小笠原高气压的大本营。

古贺等人[1]从2000年12月至2002年1月对有关直径大于0.3微米(1米的百万分之一)的微粒子直径分布以及黑色碳质量含有率的分析结果进行了报告。在此为了方便而将粒子的大小称为直径,但微粒子的形状一般并非球形,而是歪曲的。根据直径将微粒子分为两类(0.3至1微米与1微米至5微米),根据这两种微粒子个数的比率可以将空气分为不受城市影响的清洁空气与怀疑受到影响的污染空气。清洁空气中不同直径的微粒子个数分布与在海洋上方大气边界层(由海面至几百米、几公里的变化层)所观测到的分布不同,与上空(自由对流层)的分布相近。因此可以想象,清洁空气是由伴随着亚热带高气压的下降气流而带来的。而亚热带高气压则为在赤道附近上升至高度10公里以上的空气向两极方向移动、并在亚热带下降这一循环过程的组成部分。此外,在污染空气中不同直径微粒子的个数分布与城市以往测量的数值相近。

对于从2000年12月至2001年1月、以及2001年12月至2002年1月期间到达父岛的污染空气受到怎样的城市影响,通过东亚的大气输送模型进行了研究。将根据北纬35度以北的中国地区以及以南的中国地区、朝鲜半岛、日本、日本国内火山等各个领域的硫氧化物排放量推算得出的量溶入模型的空气中,计算父岛因空气漂流与扩散而受到的影响。结果发现其中一个领域所带来的影响约占整体的一半,这就是日本国内的火山,其影响最大;而在人为原因中,则是来自中国北部与朝鲜半岛的影响较大。该时间与三宅岛与樱岛的喷发活动活跃的时间重合。在调查单位体积微粒子的含有率以及单位重量黑色碳的含有率时,发现当根据模型推算的发生源不同时,结果也有所不同。微粒子的密度因事例不同而不同,假定每立方厘米的重量为1-1.4克,则当发生源为中国时含有率为9-13%,发生源为朝鲜半岛或日本时含有率为5-7%,其他场合时的含有率4-5%。这反映出不同地区的产业结构、交通工具以及生活方式的不同。

环境省国立环境研究所在冲绳县八重山诸岛的波照间岛(北纬24.1度、东经123.8度)设置了地球环境观测站 (http://db.cger.nies.go.jp/gem/warm/Ground/hs.html)并对诸多大气成分进行观测。该岛在有人居住的岛屿中位处日本最南端。横内等人[2]将该站的全球大气输送模型用于分析观测结果,并报告了对于氢氟碳化物(HFC)的观测结果。设计自动测量装置,以1小时的间隔进行持续观测,仅是HFC就测量了三种,在此特别提出的是名为HFC-23的物质。它是在制造空调所使用的制冷剂HCFC-22的过程中所生产的副产品。寿命长约260年。当使用被称为体积混合比的单位表示浓度时,通过观测发现其以每年1.4ppt(1ppt为一万亿分之一)的比例在增加。考虑到地球空气的总量,计算结果为以每年14.3Gg(G为十亿)的比例在增加。由于红外线的吸收能力也很强,因此对地球气候的影响令人担忧。

从一年中的浓度变化来看,与其他季节相比,夏季的浓度较低。其中一个小时至几天之内出现浓度上升的现象,据认为这是由于污染空气的影响所致。将全球分成18个地区,通过全球大气输送模型计算各个地区排放的HFC-23到达波照间岛的时间。结果发现,HFC-23浓度上升时的空气之前刚刚通过中国大陆。当HFC-23浓度较高时,与同一空气中的一氧化碳浓度进行了比较。一氧化碳为燃料不完全燃烧而产生的气体,是由工厂、汽车、焚田以及森林火灾等原因而产生。另外,树木放出的有机化合物也会产生变化而变成一氧化碳。假设HCFC-22的制造工厂位于频繁产生一氧化碳的城市,则通过一氧化碳产量的推算值与比例,可以推算HFC-23的排放量。一氧化碳有几种产量推算值,当改变作为基础的推算值时则会出现幅度达到50%的变化,估计中国每年的排放量为大约10Gg。如前所述,相当于全球排放量的三分之二。在波照间针对从日本过来的污染空气进行观测时,发现其中含有许多HFC-134a,而HFC-23的比例较少。这也反映出产业结构的不同。

日本的标志之一是富士山(标高3776m)。1964年在富士山山顶设置了用于掌握台风位置的气象雷达,经过长期使用后于1999年撤除。由于就此对雷达旧址废置不用的话甚为可惜,因此组织了NPO法人(http://npo.fuji3776.net/),充分利用富士山气象观测所旧址开展活动。

在大学、研究机构以及气象厅的协助下,就微粒子对大气环境的影响展开了观测研究。兼保等人[3]报告了针对黑色碳、一氧化碳、臭氧、微粒子中的甲烷系碳化氢、微粒子的光学特性的分析结果。其中通过过滤器采集微粒子并分析了其成分。气象观测所于2003年5月末至6月,因西伯利亚森林火灾而被升腾的烟层所笼罩,当时得以对微粒子进行了测量。烟雾在人造卫星拍摄的照片中能看到。烟中黑色碳的最高浓度为每立方米1.9微克。一氧化碳的浓度高于平时,而相对一氧化碳的黑色碳的比率也高于过去由于加拿大森林火灾而在美国东海岸以及英国测量所得的比率。由此认为,此次在富士山观测到的烟雾在转移时并没有受到云与雨的影响。因此,产生的烟雾在一直到达富士山为止,其组成基本上并未发生变化。在过滤器采集的微粒子中发现含有分子量较大的甲烷系碳化氢。由于碳的个数为奇数的甲烷系碳化氢较多,说明其来源于较高的树木。而根据臭氧与一氧化碳的浓度随着时间出现的变化以及烟层的上下移动,说明在烟层的上方存在着高浓度臭氧层。基于烟雾对光的吸收会由于光的波长而发生变化,说明该烟内含有较多的有机化合物。

构成空气的成分除了水蒸气之外,还包括78%的氮、21%的氧、1%的氩,其余的不到1%。我们将其余的成分称为微量成分,但不能忽视的是微量成分中却含有大量可能影响健康与地球气候的物质。在变化为微粒子前的气体成分(前驱物)、HFC-23等各个成分在溶入空气之后与其他成分发生踫撞,并被风卷走而扩散到全球。可以使用计算机再现这种情形,从而尝试推算观测的浓度受到地球哪个地方的影响较强,并在如上所述的研究中利用这一信息。实施计算的程序被称为化学输送模型(CTM)等,其中以全球作为计算对象的模型是在第一次全球大气研究计划(FGGE)中,自1979年以后每天提供二次地球大气的三维状态之后而开发的。之所以能够制定这样的资料,是由于在赤道上方安置了几颗静止气象卫星,可以在全球范围内观测云的动向,并根据其图像而推算上空的风向风速。通过这一模型对大气环境进行诊断时,重要的是对计算结果进行验证。

田口等人[4]报告了使用天然放射性物质、原子量为222的氡进行验证的结果。氡是土壤内原子量为226的镭发生裂变而产生的难溶于水的气体,其半衰期是3.8天。作为题外话,如果究其根源,要追溯到原子量为238的铀,铀的半衰期为45亿年。而原子量为226的镭的半衰期为1600年。由于作为根源的铀,基本上均匀地含于地表土壤与岩石中,因此氡也被均匀地放出。由于裂变而产生射线,当在与地面相连的聚气结构房间内,如果曝露在这种射线中则会对健康产生不良影响。经过几种寿命较短的物质形态后,变为原子量为210的铅。铅是一种金属粒子,它与在空气中飘浮的其他微粒子聚在一起。下面回到验证的话题,调查的模型以2.5度为单位对全球进行划分,然后通过角度计算微量成分的浓度。将由地表至上空30公里的空间划分为15个区。并采用欧洲中期预报中心(ECMWF)这一机构所提供的风速资料。假定在陆地上每平方厘米/每秒放出1个原子,并假定海洋上放出的数量相当于陆地的二百分之一。虽然有意见认为该假定放出量过于笼统,用于数量验证的话并不充分,但却在模型的质量验证方面发挥了巨大作用。如前所述,在该报告中采用了父岛、夏威夷冒纳凯阿火山山腹的观测所以及中国10所气象站的资料。如此一来,即可了解哪些地方计算精确,哪些地方仍需改良。

当使用上述模型进行计算时,会为空气被如何肆意混合而感到震惊,同时也了解到南北半球的空气用了大约一年的时间去交融互换,并在赤道附近存在着看不见的分界线。根据计算结果表明,父岛与波照间岛在夏季时会有来自南半球的空气到访。而在北半球,到了夏季时,南北半球空气的分界线要略微偏离赤道而处于北半球一侧。在通过模型计算微量成分的浓度分布时,看到台风旋涡卷起南半球空气的情形时还感到半信半疑,但却与台风通过波照间附近时在波照间取得的观测结果不谋而合。

为什么我们会关注地球另一面的环境问题呢?我想从工业技术的观点补充一下个人意见。坦率而言,在地球的另一面存在着对于日本工业产品来说非常重要的客户。如果对生活环境产生不良影响,则可能导致失去客户。市场经济的主角是消费者,消费者的意见掌握着企业的命运。企业为避免被贴上加害者的标签而时刻绷紧了神经。日本的经济属于进口原材料制造产品并出口的加工贸易。在支撑日本经济脊梁的制造业之中,不少企业都具有一种特征,即员工与创业者的志向产生共鸣而成为命运共同体。抱着希望为社会做出贡献的热情,发挥江户时代的武士道精神,令技术人员保持振奋,从而克服了公害问题、石油危机等诸多困难。但是,即便是这些健全的企业也会由于在某一天突然被贴上破坏环境的加害者标签而面临困难的局面,类似现象层出不穷。以氟化合物为例,即使企业凝聚了大量心血与汗水创建起能够以低廉成本大量生产氟化合物的工厂,企业也会由于风向的突然转变而承担巨额债务。这种风向的转变既会因科学发现而产生,也会在证据还不明朗时就被先行下结论,留下疑云。这与没有物证就根据坦白自陈而遭到起诉的嫌疑人之间存在共通之处。可怕的是,草率得出的结论会存在错误,类似事例可见中西[5]的介绍。为防患于未然,公共机构的任务之一就是尽快确定影响环境的物质,脚踏实地地一一积累观测资料,努力掌握切实证据。

 

参考文献

[1] Koga等人,Atmos.Env.,2008.

[2] Yokouchi等人,GRL,2006

[3] Kaneyasu等人,JGR,2007.

[4] Taguchi等人,Tellus,2002.

[5] 中西顺子著《环境风险学——不安的大海指南针》,日本评论社 2004年.

 

田口 彰一

简介

产业技术综合研究所环境管理技术研究部门地球环境评估研究组组长

生于1956年3月。1986年3月获得东京大学研究生院物理学系研究专业博士课程后期学分承认后退学。专业为地球物理学。1995年4月获得物理学博士学位。2006年4月起任现职。

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