5亿元的烟雾箱
清华大学西门附近一间不起眼的实验室中有个类似大冷柜的装置，就是前阵子人们议论纷纷的“烟雾箱”。这是一个小型的烟雾箱，只有3立方米，而大型烟雾箱则高达数百立方米。
3月初，媒体传来“中国计划在北京怀柔建设世界最大的‘烟雾箱’，初步预算5亿元”的消息。“烟雾箱”计划听起来是个快速跟踪浓重雾霾的好方法，很快引起了大家关注。该项目的筹备负责人、中科院生态环境研究中心研究员贺泓则表示，中科院的确已就此项目计划制订了方案并上报发改委，但截至目前尚未收到项目得到批准的消息。
3月9日，在全国人大新闻中心举行的环保主题记者会上，环保部副部长吴晓青回应了此问题，表示环保部支持有关部门建设大型的“烟雾箱”模拟实验室。但贺泓已然被各种传言弄得焦头烂额，不愿再多谈这个问题。“一切以中科院的说法为准。”他说。
烟雾箱究竟是一个什么样的东西，能对改善大气污染做哪些贡献？楚必武以前在清华大学环境学院李俊华教授的实验室读博士，从2008年起开始用烟雾箱做研究，毕业后在贺泓的研究小组工作，他对清华大学这个小型的烟雾箱了如指掌。
“这个冷柜一样的外壳就是一个空调室，能够保持温度恒定。”楚必武给本刊记者打开烟雾箱的柜门，里面是一个很大的立方形透明塑料袋，塑料袋由特氟龙薄膜制成，容积为3立方米，上下左右包围着40盏灯。“特氟龙薄膜几乎不参与化学反应，而且对太阳光中紫外线部分几乎无阻挡作用，使得烟雾箱中的气体能接受到真实太阳光紫外线的照射而发生光化学反应。”楚必武说。
特氟龙塑料袋里，根据实验要求加入不同比例的各种气体，比如汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物和氮氧化合物。调整好温度、湿度等条件后，打开紫外灯，模拟白天这些污染物在阳光照射下的反应。8小时的反应过程中，塑料袋中的气体会被不断抽取出来，各种仪器实时分析里面的各种化学组分有没有发生变化。
太阳光下，污染物会发生什么变化是一个非常复杂的过程。在雾霾愈演愈重的中国，二次颗粒物起到非常重要的作用。贺泓在3月1日中国科学院学部主办的“大气灰霾追因与控制”科学与技术前沿论坛上介绍：“构成雾霾的物质包括污染源排放的一次颗粒物和气态污染物，这二者又会在大气物理化学的过程中变成二次颗粒物。一次颗粒物和二次颗粒物混合的细粒子持续增长，导致消光现象致霾。”
那么二次颗粒物从哪里来？“大气中挥发性有机污染物可以在氧化过程中被氧化成二次有机颗粒物，还有一些无机的成分，比如氮氧化物变成硝酸盐、二氧化硫变成硫酸盐、氨变成铵盐等等。”贺泓说。这些二次生成的细颗粒物对PM2.5的贡献有多少？贺泓认为，据绿色和平组织的报告，2010年的二次生成的颗粒物在PM2.5中的比例，北京是60%，天津是53%，河北是59%。截至目前，科学家仍不太清楚某些二次颗粒物是如何形成的。“二次颗粒物的形成将是今后一个阶段研究的重点。我们要加强大气新颗粒物成核机制，二次颗粒物形成、增长和老化机制的研究，特别是霾形成机制中的关键过程。”他说。
本组图片：建在室外的欧洲光化学实验室204立方米平行双环境烟雾箱，由两个透明的特氟龙半球组成
现实环境中的大气是个不断运动的开放体系，自然条件变化多端，污染物种类繁多，浓度不一，而且随时间空间变化。因此要想在实际大气中进行研究是十分困难的，当前研究大气污染基本有两种方式，一种是直接对现实中的大气污染进行研究，如2008年奥运会期间，因为减排措施而导致污染物骤然下降的这个过程，成为全球大气物理科学家重点研究的“天然实验室”。另一种方式则是在封闭的空间进行模拟实验，即烟雾箱内通过注入不同的污染气体，研究其在日照作用下的各种化学反应，针对二次颗粒物的这些研究则离不开烟雾箱。
楚必武介绍，烟雾箱分室内和室外两种，室外烟雾箱的优点是可以直接利用阳光作为光源，缺点是某些条件，比如温度、光强等无法准确控制，无法保证实验的重复性。室内烟雾箱可以克服室外烟雾箱的缺点，但只能以紫外灯或者氙灯作为光源，引发的光化学反应可能与真实大气并不相同。
不管是室内烟雾箱还是室外烟雾箱，都有无法避免的缺点。烟雾箱无论多么大，它总有一个边界，烟雾箱的壁面可能吸收、吸附或者释放化学物质，有些反应也可能发生在壁面上，这被称之为“壁效应”。比如这个3立方米的箱子，污染物才传输出去一点点，就碰上了箱子的边界。而城市哪来的边界呢？“所以对于研究大气化学反应的烟雾箱来说，反应器的体积越大越好，体积越大的烟雾箱，表面积和体积之比越小，壁效应就越小，降低气态物质和颗粒物质在反应器壁上的沉积越小，实验结果就越准确。”清华大学的烟雾箱是一个小型的烟雾箱，虽然这样一个几立方米的反应容器可以用来当成烟雾箱，但是针对大气化学的研究，尤其是牵涉到气溶胶形成的研究，自然是体积大的更好。
近年来建设的烟雾箱体积在不断增加，比如德国地质化学和动力研究所370立方米的烟雾箱、欧洲光化学实验室204立方米平行双环境烟雾箱(EUPHORE)、美国北卡罗来纳州立大学300立方米烟雾箱等等。作为室外环境烟雾箱的典型代表，欧洲光化学烟雾箱位于西班牙巴伦西亚，是两个大小相同的烟雾箱，便于进行对照实验。它看起来是两个透明的半球，每个直径9.2米，体积204立方米，建立在室外，通过自然光进行实验。
贺泓研究小组目前刚刚建成一个30立方米的烟雾箱，他设想建造的造价5亿元的烟雾箱实际上不止一个烟雾箱，由室内、室外多个烟雾箱组成，还包括一个引入真实空气进行研究的超级观测站。
通过烟雾箱研究他们已经有了一些研究结论。贺泓举了个例子，氮氧化物和二氧化硫是最大的气态污染物，单独的二氧化硫转化成硫酸盐是一个很慢的过程，比如大气中的矿尘大部分转化为亚硫酸盐就停止反应了，但是他们发现如果氮氧化物和二氧化硫同时存在，过程就不一样了，氮氧化物会促进二氧化硫向硫酸盐转化。于是他做了一个实验，在密闭的空间中，没有氧气，以氮气为背景，二氧化硫和二氧化氮并不能转化成硫酸盐，而在模拟的空气中二氧化硫可以迅速转化成硫酸盐。“这就提示我们终极氧化剂是氧气，矿尘和氮氧化物起到催化剂的作用。”
“伦敦烟雾事件时二氧化硫浓度达到毫克级，北京目前是微克级；洛杉矶烟雾事件臭氧浓度远超我们现在的臭氧污染浓度。但是为什么我们的雾霾更频发，更难治理呢？”贺泓说道，“我国的大气污染属于复杂的复合污染，把发达国家不同发展阶段的污染特性集中到同一个时期，在这种情况下，氧化性增强，雾霾频发，更加难以治理。”