行走在大氣間 — 專訪香港科技大學郁建珍教授

空氣污染關乎所有人的生命健康，世界衛生組織 2021 年的報告顯示，全球每年有 1/8 的死亡和空氣污染有關。香港科技大學（科大）化學系講座教授郁建珍與其團隊專注研究大氣中的微細懸浮粒子（PM2.5）污染的成分監測，以追蹤香港及大灣區的空氣污染爲目標，為政府的相關政策提供了寶貴的資訊支持。

箱子裡的大氣層

1989 年郁建珍教授從南京大學環境化學專業畢業，次年留學美國蒙大拿大學（University of Montana）「當時資訊閉塞，我們對國外也不了解，但是當時的留學機會都來之不易，於是就去了蒙大拿（大學）銜接本科的專業讀了物化」。說起留學經歷，郁教授的語氣裡充滿回憶，在碩士的學習期間她發現自己對應用的環境化學更感興趣，學以致用的想法日漸明確。「在三十年前，國內做環境化學的人幾乎沒有研究大氣化學，我直到 1992 年之前的學習生涯裡都沒有接觸過大氣化學」。

運氣使然，她得到了來自北卡羅來納大學（University of North Carolina）環境工程系的 Harvey Jeffries 教授的邀請。「因為不懂大氣科學，我問了很多幼稚的問題，但 Harvey Jeffries 教授卻很認真給我發傳真，打電話給我仔細地解答問題。」就這樣，開啟了郁教授後來三十年大氣研究之旅。

1992 年 Harvey Jeffries 教授發給郁建珍教授的傳真

如何在不可控的自然環境中研究大氣化學，是郁教授遇到的第一個問題。「Harvey Jeffries 教授啟發我，要研究大氣，我們可以製造一個比較可控的研究環境，例如建一個屋子。」

光化學煙霧箱是模擬大氣光化學反應的重要工具，由支架、塑料膜組成，內置配氣系統以及測試系統等部分，光化學煙霧箱對研究大氣化學反應機理及產物、或者不同組合污染物的健康效應提供可控的實驗條件。

從 1992 年到 1997 年，五年的系統學習讓郁教授對大氣科學有了更深的了解。隨後她在 1997 年入職加州理工（Caltech）做博士後研究員，專注於空氣微細懸浮粒子（PM2.5）研究。

北卡羅來納大學教堂山分校煙霧箱裝置

加州理工學院煙霧箱裝置

郁建珍教授在 1999 年加入香港科大，開始進行獨立研究。令郁教授印象最深刻的是參加亞洲氣溶膠表徵實驗。她說：「那是一個大規模的國際合作項目，是我第一次做外場實地觀測，當時我們在韓國的濟州島進行採樣工作，有機會和來自世界各地的大氣科學資深研究人員一起工作，學習到了很多寶貴的經驗，是非常難得的學習機會」。那次的實驗動員了海陸空三方面的科研力量，在地表和大氣層進行了跨區域、多層次的採樣。這次學習經歷讓郁建珍教授走出實驗室，走進野外觀測工作，開始野外探索。

2001 年 3 月至 5 月開展的亞洲氣溶膠表徵實驗，這是國際全球大氣化學項目的一部分，有多個國家的科學家參與

真實的大氣環境：

旺角的汽車尾氣、巴黎聖母院的大火、上海的疫情

郁建珍教授一直是監測香港 PM2.5 污染的核心力量之一。懸浮粒子的化學成份像指紋一樣具有獨特性，因此研究團隊投入了大量的資源深入研究其成份及來源。通過測量及長期追蹤大氣中的化學組成及濃度，溯源污染源，從源頭制定政策及控制污染產生措施，從而建立良好的環境並保護公眾健康 － 這是郁教授實踐所學的理念所在。

自 2007 年起，她帶領團隊在荃灣開展 PM2.5 採樣與分析工作。隨後團隊與其他幾位專注大氣研究的同事在廣東南沙的香港科大霍英東研究院成立了『大氣研究中心』，將 PM2.5 的組分監測範圍拓展至廣東省的四個監測站以及香港的兩個監測站，並逐步形成了一套符合國際標準的 PM2.5 成分採樣分析標準操作程序。她說：「多年累積的經驗，為我們自 2011 年起向香港環保署提供可靠的 PM2.5 成分分析工作奠定了堅實的基礎。我們也在 2014 至 2019 期間多次與廣東省環境監測中心合作，對廣東省縣級監測單位一線技術人員進行了監測和數據分析的現場演示和培訓，藉此推動粵港在大氣污染監測方面的區域合作及能力構建。」

郁建珍教授團隊為內地政府一線技術人員進行 PM2.5 監測儀器培訓

2011 年，科大和香港環保署合作建立「科大空氣質量研究超級站」，該站設置了多個高端監測儀器，以實時採集和分析大氣中的化學成分，獲得全面和細緻的環境變化信息，同時也設置經典採樣設備來進行長期的化學成分觀測，滿足不同監測需求。

香港科技大學空氣質量研究超級站啟用典禮，左起：郁建珍教授、劉啟漢教授、陳澤強教授、劉培生教授

香港科技大學空氣質量研究超級站

真實大氣環境中的化學組成，因地因時而不同，如何在變換中尋找規律？郁教授分享了幾段她團隊的研究經驗。

她的團隊在旺角路邊進行了長達六年（2011-2017）的 PM2.5 成分測量，特別是其中的有機碳及無機碳。結合環保署的揮發性有機物與氮氧化物的監測數據，郁教授得以甄別柴油車與汽油車尾氣排放對 PM2.5 的各自貢獻，證明了針對柴油車的排放管控措施對污染治理帶來了顯著效果，「在一定程度上支持了政府對車輛排放的管控快策」，郁教授滿意地說。

2019 年 4 月，巴黎聖母院的火災成了新聞頭條，當大部分的關注點落在人文和歷史領域時，郁建珍教授卻看到了一個加拿大的研究組關於聖母院附近蜜蜂的研究報告。「火災產生的煙塵中包含大量含鉛物質，在 12 世紀建造的聖母院用了好幾百噸的鉛，特別用在了鐘樓和屋頂。這些物質隨大氣飄散並沉降到植被上，蜜蜂採了花蜜後就將鉛元素攝入體內，結果蜂蜜中的鉛含量增加了」，郁教授娓娓道出了大氣圈和生物圈的關係，但不得其解的是，鉛的溶點約 1000 攝氏度，氧化鉛也有 800 度，這些鉛在火災中是怎樣氣化的？

2021 年，香港在昂船洲、青衣、元朗等地發生了 6 起三級火災，而當時香港共有 5 台線上 X 光螢光光譜分析儀，分散在不同地區實時檢測 PM2.5 中的各種金屬及鹵素元素。郁教授及團隊收集了每次大火時段的檢測數據，發現城市火災時釋放的大氣細顆粒物中，溴的濃度可以飄升上百倍，同時鉛的濃度也急劇上升。這些實測的大氣化學成分數據揭示了罪魁禍首是我們意想不到的日常用品。在城市生活中存在許多含溴阻燃劑，例如油漆、家具等，與鉛金屬或含鉛合金製品，例如蓄電池、焊接物料、獎盃等。當含溴物料在火災中釋出活性溴，鉛就有可能以溴化鉛的形式逃逸到大氣中，因為溴化鉛溶點只有 373 度。巴黎聖母院的情況也是如此。

2022 年郁建珍教授團隊在 Atmospheric Environment 期刊上發表、題為 Large presence of bromine and toxic metals in ambient fine particles from urban fires（城市火災釋放的細顆粒物中含有大量溴和有毒重金屬）的文章的圖片摘要

三年疫情對於郁建珍教授來說也是一次難忘的科研經歷。「我們與上海環科院進行合作項目，在 2019 年 11 月將一部在線分析有機分子示蹤物的採樣儀器送到上海，計劃和上海環科院的另一個儀器同步兩個站點進行兩個月的觀測工作，結果人算不如天算，2000 年初疫情全面爆發，設備也沒辦法運回來了。」於是，這台滯留上海的設備，以及封城帶來的全部人類活動的停止，讓她獲得了非常難得的大氣實驗機會。

兩台儀器分別放置在上海環境科學院（SAES）以及淀山湖（DSH）觀測市區以及郊區的大氣質量情況

通過分析儀器記錄的封城前後的分子示蹤物數據，郁建珍教授的團隊證實由於人們活動減少，工廠關閉，機動車出行受限，一些來自汽車尾氣、工業活動及餐飲排放等污染源的 PM2.5 組分確實大幅度減少，同時硝酸鹽環境濃度也大幅下降，「但出乎意料的是 PM2.5 中的有機碳幾乎持平。透過深入的基於示踪物資料的來源解析，我們發現一些有機二次污染物質在疫情管控期間卻有所上升，這是因為沒有了常規污染源的抑制作用，臭氧及其他大氣氧化劑增多，促使了更多這些二次污染物的生成，结果抵消了來自直接排放源的污染的降低」。郁教授強調了一點：「大氣污染是一個複雜系統，不能簡單地認為管控措施、日常活動減弱後，污染物一定會減少，實際上可能會出現新的污染問題。」

大氣化學預報

19 世紀的黑煙、20 世紀的酸雨、接著是微細懸浮粒子導致的灰霾，自工業革命以來人類對空氣污染的關注焦點是一個持續不斷的校準過程。

郁建珍教授說，目前的焦點是健康和氣候效應，及其相關的分子層面的化學監測：「大氣作為一個巨大化學反應器，內有各種有毒物質，如大家熟知的多環芳烴，它們的濃度變化及其時空分佈會對公眾健康造成影響。此外，氣候變化也與大氣中特定化學物質，如黑碳微粒、有色有機物等有關，這些物質可能對太陽輻射產生影響。」

郁建珍教授希望通過努力讓未來出現「大氣化學預報」，不僅關注溫度、濕度等物理參數，還要關注化學參數，特別是相關的有毒物質，比起現時的空氣質素健康指數所涵蓋的二氧化氮、二氧化硫、臭氧、懸浮粒子更加詳盡，並針對火災、火山爆發等突發事件發生空氣污染預警。「城市火災發生時，大氣中的溴元素濃度會上升，火災同時也會釋放出鉛等有毒金屬，這些金屬主變來源於火災現場的含鉛阻燃劑等… 我們的儀器能夠捕捉到火山爆發等事件的一些特徵化學物，從而向政府提供專業的科學建議，並通過科普訊息、準確資訊來幫助民眾瞭解和避免恐慌。」

近年的進展之一是對臭氧和二次形成的有機氣溶膠前體物的監測和分析。2022 年特區政府和香港多間院校合作，研究和制訂科學的區域臭氧和光化學煙霧控制策略，應對香港、大灣區臭氧和灰霾污染，其中一個措施是建設「黃金標準」揮發性有機物（VOC）分析實驗室。郁教授說，臭氧的難題在於它並非直接排放到大氣的，而是由複雜的光化學反應所形成的，其活性前體物包括氮氧化物和揮發性有機物，後者包括數百種痕量化合物。郁教授介紹，科大「超級站」現已配備了能夠測量氣溶膠中的有機氮的儀器，鑒於全球正致力發展非碳能源，對大氣中各種活性氮的監測因而日益顯得重要。

空氣污染關乎大眾健康健康及氣候變遷，政府和學術界務必緊密合作。郁建珍教授表示，面對全球環境問題，每個人都有責任行動起來，同時，她也寄語年輕一代科研人員，鼓勵他們保持好奇心，堅持不懈，探索更多未知。

郁建珍教授（第一行左三）與團隊

注：本文圖片均為受訪者提供