点此阅读《被污染的科学（一）口罩蒙自己》

寻正

首都北京的精英们担心起污染来，因此我才有了写被污染的科学一文的想法。不少人可能理解我的题目为科学被污染，这种理解也是不错的，中国的科学传播的最大障碍就是科学的被污染，即使是专家，也喜欢张着嘴胡扯一气。胡扯之后，还会摇动着“专家”的旗帜，不容许人质疑。

图一、治国专家

空气粒子污染是一个简单的现象，涉及的粒子种类不多，涉及的物理技术原理也简单易懂，咱们来学习相关基本知识，顺便检验专家的说法。

院士钟南山是搞呼吸研究的，宣称PM2.5能进入肺泡。中科院研究王跃思认为美使馆数据偏大，还推荐大家戴不管用的口罩，并认为北京污染在减少。而美国专家则批评美国使馆没有发布24小时PM2.5的平均浓度。美国俄克拉河马州立大学助教授麻庭光宣称PM10可以吸附PM2.5，PM10的减少，导致了PM2.5的增加。在这些错误信息的引导下，读者除了慌张，就是糊涂。

咱们先从麻庭光教授的PM10吸附PM2.5说起。麻庭光的《美国对PM2.5的认识历史》译自《煤巨人：美国未来能源背后的肮脏秘密》（Big Coal: The Dirty Secret Behind America’s Energy Future），作者是美国知名作家Jeff Goodell，该书发表于2006年，是Goodell的成名作。按中国人的说法，Goodell是标准的文科生，本科学英文，硕士学写作。麻教授以专家身份译外行的作品，既不给出处，还未获得原作者允许，在其剽窃史上新增一项记录。更重要的是，这位专家抄一通外行，还抄错了。

回到麻庭光教授抄袭王宝贯教授原文，王采取了雍耶（Christian Junge）的说法，把浮粒分成三类，艾肯特（Aitken）粒子、大粒子、与巨粒子。在气溶胶停留一段时间后，会老化，在老化过程中，巨粒子沉降减少，而艾肯特粒子则会聚合，最终变为大粒子，这一现象称为聚合（Coagulation）。王教授没有提到的是大粒子本身对聚合作用的促进作用，也就是Goodell一书所描述的现象，针对这一现象的经典描述出现在空气污染的经典研究报告——Wichmann报告中。Wichmann报告应该 说是大气污染研究者的必读作品之一，在其2000年版报告的第57页上的示意图常被其他作者原封不动或者略加修改地引用到文献中。

图二、德国埃乐富特治理PM2.5有效后导致超细粒子半衰期显著增加

在此前的文章中我介绍过，目前粒子分类为粗、细、与超细粒子，如果硬要说PM10代表较大的粒子，相对PM2.5而言，它代表着粗粒子，而PM2.5代表着细粒子。在细粒子中较小的那一部分（<1微米）的，才是Wichmann及王教授所言的有吸附作用的大粒子。PM2.5的质量的一部分实际上还是王宝贯所谓的巨粒子。严格地说，清除PM10，就包括清除PM2.5，因为前者包括后者，又怎么会产生清除PM10而增加PM2.5的效果呢？

当然，我们也不能否认巨粒子也同样地拥用吸附能力，可以吸附超细粒子，从而达到清除它们的作用，然而，空气中的粒子分布决定了这样的作用可以忽略不计。用Wichmann的报告的PM2.5粒子为例，从质量上说，细粒子（0.1-2.5微米）占97%，而超细粒子只占3%，但超细粒子个数占了总个数的88%。在PM2.5之外，粗粒子质量是PM2.5的20%，大于PM10的粒子还有30%。吸附作用大小取决于粒子的表面积，同等质量的粒子表面积跟粒子直径呈反比，比如10微克的2.5微米的粒子的表面积就是10微克的10微米的粒子的4倍，因此，大粒子的吸附作用是粗粒子的几百倍。

2009年在澳大利亚西部发生沙尘暴，空气中的粒子浓度（PM2.5）从平常的50微克剧增到6000微克，昆士兰科技大学研究发现，沙尘暴把空气中的超细粒子清除得干干净净。这之中，多半有粗粒子的功劳，但显然不存在粗粒子清除大粒子的过程，因为大粒子就不存在剧烈的布朗运动，让这种聚合作用成为可能。

图三、大气中粒子分布（源：Jose-Luis Jimenez）

超细粒子在生活中从哪里来呢？汽车尾气。现在研究超细粒子污染就着重在高速公路及其附近，由于超细粒子的聚合作用，决定了超细粒子即使没有大粒子，也会很快聚集，使得超细粒子在空气中的半衰期较短。多短？在城市里，0.02微米的粒子的半衰期只有一个小时。在聚合作用之外，超细粒子还具有极强的扩散能力，能迅速地在空气中扩散，从而导致它在污染源由近及远呈指数规模地消减，美国学者朱亦方（音译）等人的研究表明，在高速公路污染源的下风约150米超细粒子污染增加就不是很显著了，而300米外就基本不受影响了。这对美国人来说是好消息，因为大多数住宅距离主要干道超过300米，但对中国城市居民来说，达到这个距离可不易。如果住在干道旁的公寓里，起码要50层以上的楼房才影响较小，100层楼就不用说了，不现实。

超细粒子的害处在哪里？它能自由进出肺泡，可以通过肺气血交换屏障进入身体内起作用。很小的粒子，比如纳米级的粒子，会因为扩散作用被阻止在呼吸道上段。在几十个纳米的粒子可以几乎一半沉积于肺泡。PM2.5中绝大多数粒子是大粒子（0.1-1微米，据Wichmann报道数据，占PM2.5质量的90%以上），可以自由进出肺泡，但大多数不沉积，但沉积率即使低至10%，如果污染严重，而身体清除能力有限，也会造成伤害。这是监测PM2.5的生理学原理。

回到前面讲的聚合作用，它是气溶胶老化的基本现象之一，也是污染物清除机制之一，其发生速度跟粒子大小呈指数递减。在另一端，是粗粒子的沉落，其沉降速度，跟粒子大小呈指数增加。如果我们把这两个作用累加起来，我们就能够理解PM2.5的特征性组成了。监测PM2.5是为了排除PM10中的一过性的粗粒子的干挠因素，更直接衡量空气污染粒子中的稳定成份，从这个角度上说，PM2.5是必然选择，而且将来也不会进一步改变选择更小的径值监测。

图四、空气粒子的自然清除与在人呼吸道内的沉积（示意图）

很显然，气溶胶在空气中的变化规律也同样适用于呼吸道，所以粒子在我们呼吸道的沉着也呈相同规律，空气中积累的大粒子恰好也不易沉积于我们的呼吸道，这是我们的天然防护机制，不然，稍有污染，大家都得尘肺了。

我在此前分析过为什么口罩不管用，因为最需要防滤过的粒子，它几乎就无能为力，下图中是一家为医院提供过滤设备的五种典型的过滤器的过滤效率。在接近HEPA最易通过粒子直径（0.3微米）时效率都显著减低。因此，几毛钱的口罩只能阻挡粗粒子以上的甚至看得见的粒子，只起心理安慰作用。

图五、Flanders Precision Aire公司五种商用规格滤器针对不同粒子直径的效率（%）

当专家指责大使馆公布短于24小时PM2.5数据时，有没有道理呢？没有。对于公共政策而言，空气粒子监控采取24小时平均或者年平均，有助于取得更可靠的数据，然而，这并不见得就符合医学规律，也不符合居民的利益。为什么呢？因为空气粒子污染产生的风险是几何风险（Compounding Risk），打个比喻，就象你交税，挣得越多，交得越多。与之相对的是代数风险，就象你去美领馆签证交费，无论是百万富翁，还是讨口学生，几百大洋一样地交。几何风险让那些肺功能最需要保护的受最大的损伤——医学原理很简单，你有了基础疾病，呼吸道清除能力减弱，减弱得越多，受损越严重。

在医学上，我们给病人使用抗生素，并不是说要保证所有时候你的血药浓度都有抗菌作用，那样的话代价太高。医生给药剂量保证部分时间超过杀菌的血药浓度，这种给药方式称为冲击疗法。细菌繁殖能力有限，再加上机体有灭菌能力，冲击几次就把大部或者全部细菌杀死了。同样地，污染也可以籍着这个机制起作用，在短时间内它超过呼吸道的自净能力，就造成损伤了，并不需要连续24小时都必须要超过我们的自净能力。事实上，大使馆每小时报告污染情况对居民才有指导意义——你可以临时决定是否到室外或者污染重的地方去，如果一天平均PM2.5超标，你能决定一天都不出门么？

图六、冲击疗法并不需要抗生素血药浓度始终保持在杀菌浓度以上

关于北京的污染状态，北京大学的学者王文涛等人与美国多家机构合作的结果刚好在2011年7月发表在《环境科技》（Environ. Sci. Tech.）杂志上。在北京实施交通管制与污染源控制之后，污染显著减轻，放弃控制后，迅速回升。显然，管制不起作用才是古怪现象。

中国政治家喜欢讲上有政策，下有对策，如果附庸几句天才将军岳飞的名言，叫“法虽有规，道常有矩，运用之妙，存乎一心”。直白地说，法律与规定是死的，但如何做，却看我的心意在什么地方。中国的法律很多时候是儿戏，比如立法规定北京市PM10不得超过每立方米60微克，然后就皆大欢喜，等大家鼻孔都塞满了灰尘，找到环监局头上，别人的仪表仍然在“正常”范围内。大家一看我给“正常”二字打上引号，以为我指责环监局造假，其实哪里用得着造假，如同儿戏的法律就不可能制约人。我给正常打引号是因为没有所谓正常范围，粒子污染越少越好。

图七、北京空气污染的奥林匹克效应
（BC=黑炭；OC=有机炭；源：王文涛等2011年）

一个城市中不同的地方污染状况取决于与污染源的距离以及临时风向等因素，可以发生较大变化，所以大使馆的高值完全不奇怪，环监局可能选择了一些污染不严重的点进行监控，所以总是冒出皆大欢喜的数据来。如果中国立法部门象美国议会里那么多律师出身的议员，所立之法与规定就不会如此儿戏，比如法律会明文规定如何选点。按照惯例，监测点重点突出污染严重地区，否则就没有指导意义。从理论上说存在城市的平均PM2.5，但既无实际意义，也基本上测不到。所以不要动不动以为自己的数据准确。

由于大家在白天工作，城市污染源也多在白天释放，因此，大家关注大使馆数据时，污染正在加重，这也会造成大使馆数据升高。而正由于大家在白天活动，吸入呼吸道的恰好是白天的空气，晚上则更多地是呼吸室内空气，大使馆的监控数据就远比不切实际的24小时平均浓度有意义多了。

被污染的不仅仅是北京的空气，还有科学。