“城市和人一樣也會‘呼吸’，吸入氧氣并呼出二氧化碳。”中國科學(xué)院院士、蘭州大學(xué)西部生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心主任黃建平在接受記者采訪時說，“以往我們更多關(guān)注污染物和二氧化碳的排放，理所當(dāng)然地認(rèn)為氧氣含量足夠，但現(xiàn)在越來越多的證據(jù)表明，氧氣已被過量消耗，這會給人類的生命健康帶來巨大威脅。”
近日，黃建平團隊在《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》雜志發(fā)表了題為《工業(yè)重鎮(zhèn)氧氣觀測揭示“城市呼吸”》的封面文章，在國際上率先開展“城市呼吸”研究，從觀測的角度提供了城市氧氣濃度下降的有力證據(jù)，開拓了氧循環(huán)城市健康效應(yīng)研究的新領(lǐng)域。
國內(nèi)首個高精度觀測平臺
作為地球上幾乎所有生物生存的必需品，氧氣是大氣中最關(guān)鍵的氣體成分之一。
人口眾多且密集的城市地區(qū)僅占全球土地的2%，卻居住著全球56%以上的人口，并消耗了全球70%的化石燃料。近幾十年來，隨著越來越多的人口涌入城市，城市地區(qū)在適應(yīng)和減緩氣候變化方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)有觀測資料表明，過去30年中，大氣中二氧化碳占比快速上升，氧氣下降的速度是二氧化碳上升速度的兩倍左右。
針對這一現(xiàn)象，研究人員選取了蘭州市進行實地測量。蘭州市地處中國西北部半干旱地區(qū)，作為甘肅省省會，其總?cè)丝诔^440萬，由于兩山夾一河的獨特地形，以及少風(fēng)少雨的氣候特點，大氣擴散受到抑制，導(dǎo)致了流域內(nèi)污染物的穩(wěn)定積累。
“我們看到蘭州市中心的地形十分獨特，南北最窄處僅1公里左右。考慮到大量人口在如此狹窄的區(qū)域聚集，人類的呼吸過程勢必會影響大氣中的氧濃度，因此我們希望對這個問題進行深入探索。”論文第一作者、蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院2020級氣候?qū)W專業(yè)博士研究生劉曉岳說。
基于上述考慮，黃建平團隊提出了“城市呼吸”的新概念，用來衡量城市空氣的健康狀態(tài)。
目前，針對“城市呼吸”中二氧化碳、污染物、能源等要素的研究在國際上已經(jīng)比較全面，但是針對氧氣的研究幾乎是空白狀態(tài)。
“這主要有兩個原因，一是沒有意識到氧氣減少的危害，現(xiàn)在越來越多的研究表明，氧氣濃度降低與人體健康特別是心血管健康密切相關(guān);二是氧氣濃度實時觀測對儀器精度要求很高，一般儀器無法測量。”黃建平介紹。
目前，國內(nèi)外已有一些研究團隊在全球設(shè)立了大氣氧氣定期觀測站點，探究全球大氣氧氣濃度的長期趨勢。這些觀測通常是使用密封瓶進行大氣采樣分析，密封瓶采樣受實驗條件的限制，數(shù)據(jù)的時空分辨率有限，因此還需對大氣氧氣進行連續(xù)觀測來提高對大氣傳輸和混合過程的認(rèn)識。雖然近年已有一些站點開始連續(xù)觀測，但是大多數(shù)氧氣觀測站點都設(shè)在人煙稀少、遠(yuǎn)離人類活動的區(qū)域。
在大的自然背景下探測微小的氧氣變化相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。“大氣中氧氣變化信號以百萬分之一計，這種探測猶如探討一滴水對于整個海平面的影響，因此，對氧氣監(jiān)測分析儀器的精度和漂移有嚴(yán)格的要求。”團隊負(fù)責(zé)技術(shù)的工程師王莉說。
2017年，黃建平團隊在蘭州大學(xué)城關(guān)校區(qū)一棟22層建筑的頂樓建立了國內(nèi)首個高精度大氣氧氣觀測平臺。空氣采樣的采氣口正對著蘭州市最繁忙的街道——天水路。這條路有雙向10車道，毗鄰火車站，路段交通發(fā)達(dá)，受人為活動影響比較顯著。
氧氣觀測平臺采用氣相色譜熱導(dǎo)檢測器(GC-TCD)技術(shù)測定大氣氧含量，該技術(shù)已經(jīng)使用了20多年，可以較準(zhǔn)確地量化大氣氧氣的變化。團隊利用氣相色譜儀直接測量的是氧氮比，這是因為大氣中氮氣的變化比氧氣的變化小得多，可忽略不計，因此氧氮比的變化可以被認(rèn)為是氧氣造成的。
“在氧氣觀測平臺建設(shè)初期，我們克服了一系列技術(shù)難題，包括儀器調(diào)試、定標(biāo)以及后期數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建了適用于平臺的大氣氧觀測數(shù)據(jù)的訂正方法等。經(jīng)過團隊的不懈努力，我們的觀測資料最終得到了國際同行的認(rèn)可。”黃建平介紹。
定量估算氧氣濃度變化
城市中居民呼吸和化石燃料燃燒是兩個獨立的過程，因此很難直接將上述兩個過程的影響分別從大氣氧氣觀測資料中分離出來。但值得注意的是，居民呼吸是不排放污染物的，而化石燃料在燃燒過程中不僅排放了二氧化碳，同時也排放了包括氮氧化物、一氧化碳、二氧化硫在內(nèi)的各類污染物。因此，在觀測到的氧氣濃度變化信號中，有一部分是和污染物相關(guān)的信號，指示著化石燃料燃燒消耗的氧氣，另一部分和污染物無關(guān)的信號，則指示著居民呼吸過程消耗的氧氣。將現(xiàn)有的氧氣濃度和污染物濃度的觀測資料進行對比，就可以從氧氣濃度變化的信號中分離出化石燃料燃燒信號和居民呼吸信號。
黃建平團隊將城市氧氣濃度觀測數(shù)據(jù)分為兩組。在空氣質(zhì)量較好的情景中，大氣擴散條件較好，工業(yè)、交通活動等消耗的氧氣能夠較快補充，蘭州市氧氣濃度整體較高。這種情景下人類呼吸占氧氣虧損的33.08%，化石燃料燃燒占比66.92%。此外，大氣傳輸模型也顯示，擴散條件較好時，有利于工業(yè)區(qū)污染氣團遠(yuǎn)距離傳輸至蘭州市中心城區(qū)，因此排放二氧化硫、一氧化氮等污染物的過程對氧氣的消耗占比有所上升。這種情景下，大氣充分混合，各類耗氧過程對蘭州氧氣濃度的影響較為均衡，對人體健康影響較小。
在氧氣濃度較低、污染嚴(yán)重的情境下，化石燃料燃燒對氧氣的消耗占比升高到72.5%，居民呼吸對氧氣損耗的占比降低。高精度的大氣傳輸模型顯示該情景下耗氧過程主要發(fā)生在中心城區(qū)，氮氧化物和PM1排放過程的耗氧量明顯增加，對應(yīng)機動車尾氣排放過程消耗的氧氣顯著增加。
植物光合作用是氧氣的主要來源，蘭州市耗氧量是產(chǎn)氧量的500倍以上，其缺口主要來自周邊植被的支援。這種情況不僅發(fā)生在蘭州，全球人口超過100萬的大城市中，有75%的大城市耗氧量和產(chǎn)氧量的比值超過100。
黃建平團隊曾做過測算，如果化石燃料燃燒穩(wěn)定在一定水平不下降，會發(fā)生持續(xù)的氧氣濃度下降，26世紀(jì)將降至20.0%以下，并在29世紀(jì)初將降至19.5%，可能會對地球上部分生物的生存造成威脅。
下一步，團隊希望對全世界大城市的“呼吸指數(shù)”進行估算，通過城市耗氧和產(chǎn)氧的具體數(shù)據(jù)呼吁國際社會關(guān)注氧濃度問題，進一步評估不同情景下城市氧氣濃度變化帶來的健康風(fēng)險，為制訂因地制宜的、與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的“雙碳”路徑提供科學(xué)依據(jù)。
“這是一個前瞻性的研究，更長遠(yuǎn)來說，我們希望推動一個關(guān)于‘城市呼吸’的大科學(xué)計劃，呼吁全世界更多的城市關(guān)注這個問題，因為它不僅是一個科學(xué)問題，也對每個城市、國家、地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展都至關(guān)重要。”黃建平說。
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