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关于空气污染治理的技术建议(1)

投稿时间:2017-05-04 14:55 投稿人:姜洪明 【字号: 访问量:

上篇:中国大范围严重空气污染的成因之一

要治理空气污染,先要破除一些根深蒂固的惯性思维误区。

 

图1

如图1,很多人的一个惯性思维是:冬天从西伯利亚来的西北风,可以将污霾吹到海上扩散掉。近两年老百姓感觉西北风少了,就猜测是不是三北防风林挡了风了(还有说法是西北的风电挡了风)。

 

图2

 如图2,全球气温变暖,海洋温度上升,图2中红色的是暖洋流,蓝色的是冷洋流,从赤道过去的暖洋流中的一个分支,最远到达北极的北冰洋,使北极升温。

图3

如图3,2016年北极多次骤升二十几度到零度以上,而以往数十年才发生一次。北极变暖,将图3中的两个红色圆圈中的巨大强冷空气风暴的影响范围向两边扩展。

 

图4

如图1的地形图所示,俄罗斯境内在中国的右上方有很多山,风没法吹到中国,图4的风向图也示意了在右上方没有吹向中国的固定方向的风。图1和图4的左上方都示意了有整个西西伯利亚平原那么大面积的西北风朝向中国吹,但是下方因为地球的西风带(图6),加上图3上方的格陵兰附近的强冷空气风暴(在欧洲转了一圈,有个分支变成西风)的共同作用,形成了一个长2400公里,宽3百多公里的西风带,拦腰切断了来自北极的北风。西伯利亚的冷风被切断后,吹到中国的基本只是蒙古高原上的外蒙古的风。

图4右上方的强风暴(即图3中下方的红色圈),跨过白令海峡,到达鄂霍茨克海,离中国很近,将极地东风带拉长,从日本海,经过渤海、黄海向整个华北平原吹东北风。

 

图5

 如图5,上面的线条表示风,线条的方向表示风的方向,线条的多少和粗细表示风的大小。整个渤海沿岸及黄海沿岸,从葫芦岛一直到舟山,都是从海上吹向陆地的东北风,形成直线长度1000公里(海岸线长度近2千公里),近海宽400公里至800公里的风墙,外海的大范围风向也是包裹着大陆。

 

图6

图6是地球级别的风带示意图,从舟山一直到海南岛,是在信风带上,太平洋上长达近一万公里的信风带吹向东南沿海,幸好在冬天,在图4中的强冷风暴影响下,从舟山一直到香港的1200公里的海岸线,不是直直的吹向陆地,而是沿海岸线切线吹过,但陆地的污染空气要扩散到海上去,也是很难的。信风带从香港到广西的防城港600公里的海岸线,绕大陆形状走,又在琼州海峡被海南岛和广东尾巴一挡,变成吹向陆地的南风,还好是信风尾巴,风力不大。

污霾第一定律:污霾做布朗运动,符合布朗运动的物理规律

污霾的颗粒直径通常小于10微米,小于2.5微米的叫PM2.5,小于10微米的叫PM10。做布朗运动的粒子直径也是小于10微米。之前好像没人把这两者结合起来看。

布朗运动的一个规律就是温度越高,布朗运动越明显。布朗运动越活跃,就扩散的越快;布朗运动越不活跃,就扩散的越慢。所以夏天污霾少而冬天污霾多,跟温度本身相关。

 

图7

图8

图7是四川盆地的地形图,四川盆地四周群山环绕,图中红色字标注了山的海拔。图8是成都市在一年中的污霾和温度的关系图。从图8中,可以大致推测出在温度20度左右以下时,布朗运动在高度方向小于2千米,被四周平均海拔2千米的山封在了盆地内,无法扩散,形成中度以上污霾。温度大于25至30度左右时,布朗运动在高度方向大于2千米,污霾得以扩散。

 

图9

 

图10

 图9是京津冀周围的地形图,京津冀周围的山海拔相对低一些,多为500-1500米,有些超过2000米。从图10中推测小于10度左右时,布朗运动在高度方向小于500米。当然布朗运动具体准确的温度和扩散层(或叫混合层)高度的数据,有专门部门专门仪器测量。专家们之前只提到了北京夏天的混合层有2千米,冬天时只有500米,但为什么会这样,并没说。根据布朗运动的规律,颗粒越小,布朗运动越活跃,说明PM10要达到同样的混合层高度,比PM2.5需要的温度更高。有研究表明北京这几年的PM10改善没有PM2.5明显。

 

图11

如图11,根据上文所述,冬天时,布朗运动的扩散层在500米以下,就被图11中的红线--海拔在500米以上的山,围得死死的,80%的情况下,污霾超不过红线的范围。90%的情况下不超过蓝线的范围。图11中的红线范围我称之为“中国污霾封锁圈”。从朝鲜海峡到上海,有条海上的红线,是因为如图4和图5,强冷空气风暴吹过来,通过狭窄的海峡时,风力最大,朝鲜海峡的风力在40公里每小时以上(也就是6级风),到达上海的一般也在20至30公里每小时(4级风)。

下面几张图可以了解“中国污霾封锁圈”就是大多数情况下中国污霾的扩散边界,几乎关于所有的中国污霾情况时,前面总有一句,污染扩散条件不利,不利气象条件之类的,但是怎么个不利法,之前从没人说清楚过。

 

图11a

  图11a示意了当海上的风墙的风力比较大的时候,进攻陆地,推进陆地60-180公里的情况,这种情况下污霾不但无法向海上扩散,反而向内陆积聚。

 

图11b

 图11b示意了,海上的风墙风力比较小的时候,陆地上的污霾满溢到海上的情况。图11b这种情况只占大概15%左右,而且满溢出去的污霾占中国总体的污霾也只是很少的部分。绝大部分是被封在“中国污霾封锁圈”内了。韩国有次严重污霾,有专家说不是中国漂过去的,那确实是中国漂过去的,朝鲜半岛的800至1900米的山挡住了污霾。日本好几年前提出出钱帮中国治理污霾,只是不想被迫吸二手烟罢了。

 

图11c

图11c示意了,海上的风墙风力最弱的时候,陆地上的污霾满溢到海上的情况,但是不超过图11中的蓝线,图11c这种情况只占大概5%左右。而且图11c中满溢出来的污霾,也只有大概30%是扩散到太平洋上去的,70%是被信风带沿台湾海峡一直吹到越南半岛上去的,甚至有部分被吹回陆地。

 

图11d

    为什么会有这条蓝色的边界封锁线呢?看图11d就明白了,这是太平洋深海和亚洲板块的交界处。

 

图11e

    图11e示意了,在80%的情况下,中国的污霾被限制在“中国污霾封锁圈”内,不断累积,积聚,恶化。

 

图12

布朗运动是物理规律,所以不仅夏天冬天的季节适用,一天内的温度变化也适用,图12摘自中央气象台的微博。中午温度开始上升,所以扩散层厚度开始增加,晚上温度开始下降,扩散层厚度减少。

污霾第二定律:风只转移霾,只有雨才消灭霾

谈到污霾,绝大多数人第一个想到的是风,惯性思维误区是风可以消除污霾。污霾颗粒只是从你面前吹走了,但它还在空气里。在这个惯性思维下,很多人往往想到的治霾方法是搞几百万个风扇,在地面上或者楼顶上或者山上,朝向一个方向一起吹。从上文中知道,人类造的那点风(你就用一亿个风扇吧,得耗多少电),和大自然的几百公里,甚至几千公里的风墙根本无法抗衡。况且你想着把污霾吹给邻居城市,邻居城市还想着吹给你呢,靠风本质上是以邻为壑的自私思想。

 

图13

 举个例子,如图13,右边巨大红色污霾是非洲大沙漠,沙尘跨越大西洋达到左边的南美洲,最后是被亚马逊雨林通过降雨,消灭到地面然后被植物吸收掉。假如没有亚马逊雨林不停的在消灭和吸收沙尘。光靠扩散,怕是1百年沙尘就扩散并充满整个地球的大气层,暗无天日地球毁灭了。同样道理,只转移和扩散的话,人类一百多年的工业化产生的毒霾早毁灭地球了。所以根本的解决方法只有一个,就是已经产生的污霾,要想办法消灭掉;没产生的污霾,尽量减排。