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空气质量测量系列:颗粒物

wenfeng丨11个月前行业新闻138丨

  TL;DR-颗粒物(PM)是一种在世界范围内非常普遍和具有影响的空气污染物。颗粒物污染主要来自燃烧,包括工业活动、车辆和野火。颗粒物在世界各地的浓度和组成差异很大,但对大多数国家的公共健康有重大影响。它是根据其颗粒的大小进行分类的,其中较小的分类——PM2.5——占了污染物对人类和环境健康的大部分有害影响。尽管对PM的影响进行了很好的研究,但对世界上绝大多数人口来说,PM仍然超过了基准水平,这促使人们需要采取行动,以实现更清洁的空气。
  颗粒物质不是由单一物质组成的,而是固体和液体颗粒的组合,如灰尘、花粉、灰烬、煤烟、灰尘和烟雾。其中一些颗粒可能是可见的,例如通过雾霾的出现,而其他颗粒太小,无法用肉眼看到。
  根据颗粒物的大小,颗粒物通常分为四类:粗颗粒物、PM10、PM2.5和PM1。粗颗粒物的直径为10微米(μm)或更大,而颗粒物10和PM2.5的直径分别为10微米或2.5微米或更小。PM10和PM2.5都被认为是可吸入颗粒物,这意味着它们足够小,可以被吸入肺部深处。
  PM1由最小的颗粒组成:直径小于1微米的颗粒。尽管由于其体积小,可能对人体健康造成更大的危害,但由于缺乏广泛的监测或监管,其负面健康影响的证据有限——PM1不像PM2.5或PM10那样定期监测,因为它不是大多数空气质量标准的标准。然而,理论上,PM1可能会对PM2.5的健康影响产生很大的影响,因为它的颗粒尺寸很小。
  PM10、PM2.5和食盐平均粒径之间的尺寸对比表明了颗粒物的细微程度。因为它是由这样的小颗粒组成的,颗粒物质可以被吸入肺部,加重呼吸道症状和其他负面健康影响。(图片来源:明尼苏达州污染控制局)颗粒物主要由燃烧源排放,如车辆、柴油发动机和工业设施。PM可以从一级和二级来源产生——一级来源包括建筑工地、未铺路面的道路、火灾、烟囱和木灶,所有这些都直接排放颗粒物。某些土壤破坏活动(如公路旅行或农业作业)也可能会搅动更粗的颗粒物,从而导致总的PM水平。
  相比之下,次级源释放的气体在大气中反应形成PM。来自其他污染源的某些污染物-例如,发电厂或煤火排放的二氧化硫和氮氧化物-在大气中以复杂的化学反应相互作用,形成颗粒物。气态颗粒也可以在空气中冷却成固体或液体颗粒。
  与农村相比,城市地区的颗粒物浓度更高。一项研究比较了“PM天数”(PM2.5水平高于国家环境空气质量标准(NAAQS)设定的目标24小时平均值的天数)的数量,结果发现,大型中心都市县的平均值为11.21天,而农村县仅为0.95天。在人口和活动密度较高的中心县,PM2.5的浓度也较高,这会导致颗粒物污染。
  与接触颗粒物相关的负面健康影响是显著的。2021哈佛大学的一项研究发现,燃烧化石燃料造成的空气颗粒物污染导致2012年全球1020万人死亡。研究中使用的方法使研究人员能够将PM2.5暴露导致的过早死亡与化石燃料燃烧联系起来,并将其归因于全球1/5的过早死亡。同一项研究估计,2018年美国有35万人因化石燃料污染而过早死亡。
  PM对健康的许多负面影响都是由于其颗粒较小,可以进入身体,进入气道和肺部,甚至进入血液。
  这张信息图显示了与PM和其他空气污染物相关的健康影响范围。来源:欧洲环境署PM2.5构成了最大的健康风险,因为它的颗粒物甚至小于PM10-PM10颗粒物往往聚集在上呼吸道,而PM2.5有能力渗透到肺部,损害肺组织,并进一步进入体内。
  短期暴露于PM数小时或数天会加重肺部疾病,导致哮喘发作和急性支气管炎,并增加呼吸道感染的易感性。长期暴露-意味着在高PM浓度的地区生活多年-与肺功能降低、慢性支气管炎和过早死亡相关。
  由于多种原因,儿童接触PM尤其危险:他们的呼吸系统仍在发育,每磅体重呼吸的空气比成年人多,而且他们更可能在户外活动。患有心脏病或肺病的个人也有可能受到更大的健康影响。
  研究还发现,接触颗粒物污染会影响大脑。在儿童中,暴露于PM会随着大脑的发育而改变其大小,这可能会增加日后出现认知和情绪问题的风险。
  研究还证明了颗粒物暴露与痴呆之间的联系。美国南加州大学2017年的一项研究发现,对于那些生活在PM2.5暴露量超过美国环境保护局规定标准(12μg/m3)的地区的人来说,老年女性患痴呆症的风险几乎增加了一倍。根据该研究的首席研究员流行病学家陈九(Jiu Chiuan Chen)的说法,如果将这些发现外推到普通人群中,全球约21%的痴呆症病例都是由PM污染造成的。
  南加州大学2019年的一项研究专门研究了PM暴露对阿尔茨海默氏症的影响,发现与呼吸更清洁空气的女性相比,之前接触过更高浓度PM2.5的70多岁和80多岁女性经历了更严重的阿尔茨海默氏症样脑萎缩和记忆力下降。
  颗粒物质可以通过风远距离运输,并在远离最初排放的地方沉淀。这意味着PM排放事件的影响——比如一场大型野火——会对整个地理区域的空气质量产生重大影响。要了解更多有关野火如何主要通过释放大量颗粒物而显著影响空气质量的信息,请阅读我们的野火博客。
  颗粒物也是造成空气中雾霾的原因,导致能见度降低,这在现在并不罕见,尤其是在大城市。
  上图显示了空气质量好的一天和空气质量差的一天之间的能见度差异。雾霾可能集中在烟羽中,形成分层雾霾,或以影响整体能见度的均匀雾霾形式存在。(图片来源:国家公园管理局)大量的颗粒物也会通过使湖泊和溪流变酸、改变沿海水域和大型河流流域的营养平衡、耗尽土壤养分、破坏森林和作物、导致酸雨以及影响生态系统多样性,从而改变整体环境健康。
  在全球范围内,世界卫生组织(WHO)为可接受的PM水平提供了基准和建议。世界卫生组织将这些基准设定为10μg/m3作为PM2.5的年平均值,25μg/m3作为24小时平均值。对于PM10,这些数值分别为20μg/m3和50μg/m2。
  对于超过这些建议的PM污染最高水平的国家,世界卫生组织制定了临时目标,逐步减少排放的污染量,直到世界卫生组织目标将其视为清洁空气。
  然而,现行世界卫生组织空气质量指南于2005年发布,自那时以来,许多科学研究都证实了这样一个事实,即PM对人类健康来说确实不存在安全水平。为了使其指南与科学现状保持同步,世界卫生组织将于2021 9月22日发布最新的《空气质量指南》,预计该指南对被认为对人类健康可接受的PM浓度将更加严格。
  在较小的范围内,国家和地区机构负责管理不同地区的PM污染。这些组织包括美国环保局和欧盟,它们在各自的地区设定了目标。
  在美国,美国环保局规定了室外“可吸入”颗粒物的水平,包括PM2.5和PM10,但不包括直径超过10μm的颗粒物。颗粒物是国家环境空气质量标准(NAAQS)规定的六大标准污染物之一。《清洁空气法》要求美国环保局为这六项标准污染物制定标准,这些污染物被认为对人类健康和环境都有害。
  一级和二级标准均由美国环保局制定,用于PM监管。制定主要标准的目的是保护公众健康,特别是儿童、老年人和哮喘患者等敏感人群的健康。二级标准旨在保护公共福利和环境,限制能见度降低的发生,避免对动物、农作物、植被和建筑物造成损害。
  这些标准包括PM2.5和PM10的24小时和年度标准。目前,环境保护局制定了PM2.5的一级和二级标准,分别为12.0μg/m3和15.0μg/m3(年平均值),比世界卫生组织的建议更加严格。
  除了全球和区域目标之外,我们开始看到PM在更为地方的层面上受到监管——在人们生活和工作的地方。加利福尼亚州、华盛顿州和俄勒冈州最近出台了一些规定,要求有户外工作者的雇主监测空气质量,并采取措施保护员工,同时要求在空气质量指数达到151或以上时消除或减少其野火烟雾暴露。
  世界各地PM污染的浓度和分布在空间和时间上都有所不同。
  根据2017年的一项研究,1960年至2009年间,PM2.5浓度增加了38%,其中大部分增加发生在中国和印度。PM2.5浓度的增加与PM污染导致的全球死亡人数的增加同时出现:在同一时期,这一数字增加了89%至124%,中国和印度的增加再次占主导地位。与此同时,美国和欧洲的PM2.5浓度有所下降。
  令人震惊的是,全球91%的人口生活在PM2.5水平超过世界卫生组织健康空气基准的地区。大约有40亿人生活在PM2.5年平均浓度达不到世界卫生组织最严格的35μg/m3目标的地区。
  世界卫生组织表示,长期暴露于PM2.5年平均浓度10μg/m3以上的人群,死于癌症和心肺疾病的风险更高。根据这一标准,全球90%以上的人口暴露在不健康的空气中。
  第一张图片显示了该国居住在PM2.5年平均浓度大于10μg/m3的地区的人口比例,这是世界卫生组织制定的指导方针,在该指导方针之上,已经观察到由于接触PM而导致的不良健康状况。第二幅图像显示了1990年至2017年世界各地PM2.5空气污染水平。世界上绝大多数人口并不生活在PM2.5浓度低到足以被视为健康空气的地区。世界上大多数地区的空气污染严重,南亚、中东和北非以及撒哈拉以南非洲的空气污染水平近年来最高。(图片来源:世界银行)相比之下,美国PM2.5水平略有下降。然而 这些数字只反映了全国PM2.5浓度的平均值,并没有反映特定社区的局部趋势或水平升高。美国许多地区仍然暴露在不健康水平的PM污染中。
  在2000年至2020年期间,PM2.5的年平均水平有所下降,目前低于NAAQS规定的国家标准。从美国整体来看,这20年期间PM2.5水平下降了41%。尽管在国家层面上取得了这些进展,但该国某些地区和社区的PM2.5暴露水平仍然较高,特别是在某些污染排放事件(如野火)期间。最常用的测量颗粒物的仪器通过测量PM浓度或粒径分布来实现。
  最准确的测量使用重量法,将空气吸入过滤器,在过滤器中可以收集颗粒。然后对过滤器进行称重,并与吸入空气之前的原始重量进行比较。由于颗粒是直接收集的,因此这种方法还允许对其进行化学分析,以了解更多的成分。
  这种测量方法被欧盟和美国环保局等监管机构使用,因为它对数据准确性的高标准。然而,由于收集和权衡过滤器的过程,它不允许实时数据,只能提供部署时间段的平均值。由于操作仪器需要经过培训的员工,因此这种方法的操作成本也很高。
  上图显示了美国环保局(USEPA)监测的空气质量监测站点,该站点使用基于过滤器的技术来测量颗粒物水平。参考等级监测器,被归类为联邦参考方法(FRM)或联邦等效方法(FEM),产生高度准确的数据,但具有较高的操作成本和较低的空间和时间分辨率。(图片来源:美国环保局)通过观察光的不同财产,包括光散射、光吸收和光消光,以及它们如何对颗粒的存在作出反应,也可以使用光学仪器测量颗粒物。光学粒子计数器(OPC) 是这些方法中最流行的一种,它使用像激光二极管这样的光源来照射粒子,并使用光电探测器来测量这些粒子散射的光。OPC可以通过FRM和FEM仪器(如USEPA参考等级监测器)进行校准和验证,以提高其精度。要了解更多有关Clarity如何通过基于OPC的空气质量传感器校准颗粒物测量值的信息,请参阅我们的博客。
  颗粒物通常以微克/立方米(μg/m3)表示,以显示其在空气中的浓度。PM的空气质量指数(AQI)通常用于传达这一浓度的含义,根据与当前污染相关的健康关注程度将空气质量分为六类。
  颗粒物通常被测量和传达,以作为整体空气质量的代表,特别是通过PM2.5的AQI。PM也可用于调查与某些活动(如建筑和采矿)相关的空气污染水平。
  建筑工地也会排放高浓度的空气污染物,因此测量颗粒物有助于量化工地的整体空气污染排放量。
  测量PM有助于确定采矿活动产生的空气污染。在地表开采过程中,以及在土壤和植被被移除时,颗粒物会被释放出来,从而使土壤暴露在可能导致颗粒物在空气中传播的天气中。PM测量装置可以帮助量化采矿对整体空气质量的影响。
  PM也是野火烟雾对人类健康造成危害的主要污染物,因此,测量野火释放的颗粒物水平可以帮助对野火对空气质量的影响进行分类,并帮助个人了解空气在特定时刻造成的危险。
  Clarity采用OPC技术和专有校准方法,在当地准确测量PM10、PM2.5和PM1,有助于绘制给定位置颗粒物污染的完整图像。如果您有兴趣以经济、准确的方式监测颗粒物,您可以在这里了解更多有关我们的解决方案。


发布者:上校的一朵花

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