氣溶膠的傳播是什麼?

說起氣溶膠傳播,可以從什麼叫氣溶膠談起。

當你宅在傢看視頻時,突然聞到從廚房飄過來的一股焦味;或是坐地鐵時身邊有人突然打瞭個噴嚏;抑或你從窗外眺望日落西山的壯麗景象……這些生活中你經常遇到的場景,都是因為有氣溶膠的存在。

火山噴發的景象
火山噴發的景象

什麼叫氣溶膠?

氣溶膠(Aerosols), 指懸浮在大氣中的微小顆粒。比如平時我們說的雲、霧、霾之類都算是氣溶膠。這些懸浮在大氣中的微小顆粒,大小一般從0.001~100μm(微米)。

而最大值100μm究竟有多大呢?

我們知道,1微米相當於1毫米的千分之一,最大值100微米相當於0.1毫米這麼大,而最小的,是1毫米的千分之一,肉眼是看不到的。在顯微鏡下,霧滴的直徑小於100微米,空氣污染物顆粒小於10微米。

氣溶膠的傳播是什麼?

除瞭微小,這些顆粒的形狀也是多種多樣,有的近乎球形,諸如液態霧珠,有的則是片狀、針狀和其它不規則形狀。

這些顆粒能散射或者吸收太陽光,因此,如果顆粒足夠大,就能被肉眼觀察到。氣溶膠通過散射太陽光來降低空氣中的能見度(即形成霧霾),也能讓日出和日落看上去更紅更醒目。

巴厘島的日出景象
巴厘島的日出景象

氣溶膠科學是一門新興的交叉邊緣學科。由於它和現代化工業的發展、人類衛生保健、大氣環境保護、全球氣候變化等重大問題有密切關系,是近年來充滿活力的一個新興領域。

氣溶膠的來源

1.大自然

懸浮在大氣中的微小顆粒,有的來源於大自然:比如今年澳大利亞森林大火形成的“火雲”,將煙霧和微小顆粒匯集到低空平流層中(類似於火山爆發時發生的現象),嚴重影響空氣質量。還有那些被風吹起的土壤微粒、海水飛濺揚入大氣後而被蒸發的鹽粒、細菌、微生物、植物的孢子花粉、流星燃燒所產生的細小微粒和宇宙塵埃等等,都屬於氣溶膠。

2. 人類行為

有的氣溶膠是人類自己制造出來的:由於人類活動,如煤、油及其他礦物燃料的燃燒物質,以及車輛產生的廢氣排放至空氣中的大量煙粒等。比如,霧霾的成分主要是硫酸鹽氣溶膠,燃煤是罪魁禍首。

當氣溶膠的濃度達到足夠高時,將對人類健康造成威脅,尤其是對哮喘病人及其他有呼吸道疾病的人群。空氣中的氣溶膠還能傳播真菌和病毒,會導致一些地區疾病的流行和爆發。已經有研究表明:懸浮顆粒對人類的健康會產生重大影響(比如新冠肺炎的傳播),尤其是氣溶膠中水溶組分對人類健康的影響更大。[2]

而氣溶膠的消除,主要靠大氣的降水、小粒子間的碰並、凝聚、聚合和沉降過程。

氣溶膠的傳播是什麼?

三、氣溶膠的傳播

微生物氣溶膠是環境污染的重要因素之一,氣溶膠的生物污染可以引起一系列傳染病的流行。在這次新冠疫情中,氣溶膠傳播是指飛沫混合在空氣中,形成氣溶膠,吸入後導致感染。

而在實驗室中,微生物氣溶膠的危害程度取決於微生物本身的毒力、濃度、粒子大小以及當時實驗室內微小氣候條件。實驗室環境越適合生物生存,實驗室感染的可能性越大,並可能通過氣流傳播到同一建築物的其他地方,甚至污染整個建築物的空氣。

呼吸道傳播的微生物主要存在於氣溶膠中。

關於氣溶膠在人類生活環境中的傳播,舉幾個日常的例子:

沖馬桶時產生的“便便噴霧”

1975年,在廁所思考人生的貝勒醫學院的研究者 Charles Gerba 等人頓悟到,馬桶沖水的時候會產生生物氣溶膠(固體或液體懸浮在空氣中形成的體系)。為瞭證明這一點,他在馬桶裡倒瞭細菌,然後在馬桶附近不同距離的地方擺好瞭培養皿,然後嘩嘩嘩使勁沖廁所。

不出所料,沖完廁所的2小時後,細菌基本都落在馬桶附近的地面上。但是!沖完廁所的4-6小時後,整個廁所都可以檢測到本來應該進入化糞池的細菌瞭。而且讓人意想不到的是,在浴室洗發水瓶子下面發現瞭大量大腸桿菌。

紐約大學的病理學傢 Philip Tierno 表示,這個便便氣溶膠噴霧嘛……可以射到4.6米的高度,也就是2層樓這麼高,因此被業內人士取瞭一個詩意而親切的名字——馬桶煙羽(toilet plume)。

馬桶開蓋的情況下,馬桶上方25厘米的距離都可以檢測到便便細菌,這些細菌可以在那個距離漂浮多達1個半小時。不過如果蓋著馬桶蓋沖,那麼細菌氣溶膠的量就隻有開蓋情況的1/12。

顯然,便後不蓋蓋子沖水,就會享受一次細密的便便噴霧,可能比香水的法式噴法還要均勻。

虹吸式馬桶(左)和直沖式馬桶(右)
虹吸式馬桶(左)和直沖式馬桶(右)

直沖式和虹吸式,哪一種不容易產生便便氣溶膠呢?

1959年發表在《柳葉刀》(The Lancet)上的一項研究發現,如果是直沖式馬桶,那麼每次沖水後,馬桶裡的微生物濃度就會下降99%,空氣中的生物氣溶膠下降50~60%。

但是如果是虹吸式馬桶,沖廁所後產生的氣溶膠隻有同排量的直沖式馬桶的1/14。

電子煙中的氣溶膠

近年來流行的電子煙中甘油的滲透壓高,吸水,會讓人口幹、咽喉幹,電子煙的二手氣溶膠已經成為新的空氣污染源。

電子煙通過加熱霧化產生氣溶膠供煙民吸入
電子煙通過加熱霧化產生氣溶膠供煙民吸入

世界衛生組織認為,電子煙產生的氣溶膠中,通常包含乙二醇、醛類、揮發性有機化合物、多環芳烴、煙草亞硝胺、金屬、矽酸鹽粒子以及乙二醛、丙酮醛、二乙酰、丙酮醇等成分,其中許多是已知對健康有影響的有毒物質。

從更大的概念來看,氣溶膠能給地球大氣中的化學反應(非均相反應)提供場所。這類化學反應導致的最嚴重的影響是對平流層臭氧的破壞。在極區冬季氣溶膠增加,形成極地區平流層雲。這些雲粒子的巨大的表面是化學反應發生的最佳場所。化學反應會產生大量活性氯,最終導致平流層臭氧最終被破壞。現有證據表明,大型火山噴發後,平流層中臭氧濃度出現相似的變化特征,例如,1991年菲律賓皮納圖博火山(Mt. Pinatubo)的噴發,曾造成數以噸計的火山氣溶膠轟入大氣層。

美國宇航局(NASA)
美國宇航局(NASA)

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