摘要：摘自某书稿的几个大话题的空谈阔论。本文以大气为材料，量子化预处理后，以光量子物理和自由基化学为工具方法，以公开的监测和实验数据为结果，让臭氧和雾霾形成机理机制看得见、摸得着、听得清，妇孺皆知。
关键词：大气量子化，光量子物理，自由基化学，PM0
我国环保事业起步50年以来取得了举世瞩目的成就，从起初20年的消烟除尘起步、再20年酸雨和二氧化硫“两控区”建设发展转型，到近10年雾霾臭氧攻坚克难，再到未来10年的减污降碳协同增效，我们以全球最快的速度解决了发展的问题和污染的矛盾，“蓝天白云”又胜利回归成为新常态。全球三类典型大气复合污染，中国已基本完成酸雨污染治理，正持续深入PM2.5污染治理，要尽快遏制臭氧污染上升趋势。“十三五”以来空气质量总体改善明显，但仍有“两朵小乌云”——夏秋臭氧冬春雾——在飘荡挥之不去，O3持续反弹。在问题没有彻底解决之前，总会有各种“乌龟塔”理论学说说法的市场，洪钟无声必瓦釜雷鸣乱糟糟，本文作者俩父子也“杞人忧天”自制用以解释解决大气环境问题全新的工具，写了一本极具创造性、实用性和颠覆性的大气环境书稿，在取得书号以后担心错误太多太严重而暂时搁置，报知专家领导后，挑出部分较基本的观点投石问路，与业内同行探讨交流，寻求验证合作。
这是一个全新的大话题，大而空的标题也是必然的必须的，百年前德布罗意首次发表“物质波”在Nature的letter也是一页(Nature,1923,112,540)。文中观点、理论是首次提出的，事例数据是公开的、烂大街的，它们相互支撑的，是不分先后的“鸡与蛋”的关系，既然作者不懂学术而学者也看不懂，干脆一边尿着尿，一边和着泥，简单粗暴让事情看得见（实验材料预处理），摸得着（实验工具和方法步骤），听得清（结果和结论），茅塞顿开，昭然若揭。作者换了思路和角度，双手推开窗前月，学者也要改变学风，吐故纳新，从善如流。
1、看得见的大气
地球表面包裹着大气，受地球和月球引力的影响，在地表高度方向上下密上稀不均匀，大致“16进制”分布，每增高16km压力密度降低一个数量级。大气总量1.82万亿亿摩尔0.527亿亿吨，1.1万亿亿亿亿亿个气体分子（量子）标态下407.6亿亿立方米可“堆高”到8000米。在85km以下大气匀和层内，所有的气态分子都有相同的体积，且随分压差扩散均布。任何6.022×1023个非反应性气体分子在标准状况下都是22.4升，即每个气体分子占37.22nm3空间，分子间距约3nm约是分子大小的5～10倍。
大气成分有气体、气溶胶和自由基三大类，根据汉语字形含义归纳为气、氣、炁，气指气体，由气“坍缩”成氣即新生态颗粒物的PM0，气“湮灭”成炁即“自由基”。
为探寻大气气体分子的汇和光物理性质，把大气组分按元素、原子数、分子结构、分子极性和空间构型进行各种分类。按原子数和分子结构，大气中单原子分子惰性气体物理和化学性质极其稳定；双原子分子N2、O2和H2化学性质稳定，CO和NO较稳定；三原子分子较不稳定；多原子分子主要是甲烷、氟化硫、氯氟烃、总烃和OVOCs。按照分子的化学键型和分子空间构型，把分子分为极性分子和非极性分子两大类，极性分子空间不对称，包括：V形分子（H2O、H2S、NO2、SO2、O3等）、三角锥形分子、非正四面体形分子。非极性分子空间对称，包括：单原子分子（惰性气体）、单质分子、直线形分子（CO2、N2O等）、平面正三角形分子、正四面体形分子（CH4等）、正八面体分子（SF6）。
分类以后，再归纳总结区分其物化性质的异同，书稿第二篇大气气体通论分六章简述了水和20余种大气气体基本性质、构型、源汇，大气变得看得见，光量子物理和大气自由基化学基本显形，情似门捷列夫总结化学元素列表。
基于不可分、独立的、最小的量子属性，将大气量子化，建立认识研究大气环境的方法学。除酸碱气体可能反应生成二次颗粒物PM以外，气体分子之间、颗粒物之间、颗粒物与气体之间都相对稳定，不发生化学反应，常态下分子氧O2与气体之间也不具备氧化性；除“反应性气体”外，都是“惰性”的，都表现出独立的、不可分割量子特性。
大气量子化“预处理”，以量子大气为材料可辨识大气环境的本质，发现和解析大气环境和工程技术问题，说清当前脱硫脱硝、VOCs整治中存在的问题和影响，揭示和阐明当下雾霾臭氧问题的机理和解决方案。
2、摸得着的工具
研究新问题需要新视角、新方法、新工具，为解释解决大气环境问题，打造“光量子物理”和“大气自由基化学”两个新工具：
教科书上讲授光化学、光化学氧化剂、光化学污染、光化学烟雾，这里只讲“光物理”。科学大师惠更斯和牛顿先后提出了光的波动性和粒子性，后来爱因斯坦给出了光电效应的光量子解释，光波同时具有波和粒子的双重性质，德布罗意首次发表“物质波”是1923年Nature的一篇一页letter(Nature, 1923,112,540)，博士论文提出一切物质都具有“波粒二象性”。
太阳光的“波粒二象性”的波可能是“螺旋波”，其投影是横波，其切面展现的是纵波和“粒”。光与气密切相关，其粒子性可能就是气体分子或自由基，在光能驱动下自旋所表现出的一种属性。在光物理学中，光能与其螺旋直径、分子结构和自旋角动量相关。光能（显能）驱动气体分子旋转，单原子惰性气体和双原子非极性N2和O2稳定，多原子极性分子旋转到一定动能动量时“裂解”被暴拆，这是光和“粒子”——“光子”的物理过程。
气温高光强度大、三原子多原子气体多，暴拆拆散的就多，形成的自由基也就越多，O·多臭氧就多，来者不拒。光量子物理有很强的选择性，对环境影响较大的主要有H2O（真气态）、NO2、SO2、OVOCs等“反应性气体”，光量子物理、光解是大气自净的主要途径。
用飞盘、回力标玩具来形容，光解就是让不同形状的气体分子（回力标）转起来，转快了就转散了。单原子的球形不会散，双原子的椭球不易散，直线型的也不易散，三原子V型的、多原子异形的容易散，这就是“光量子物理”的形象表达。换句话说：光量子把多原子气体分子“降维打击”成自由基炁和PM氣。
唐孝炎、张远航、邵敏主编《大气环境化学（第二版）》（高等教育出版社2006年5月第2版）第一章第六节讲授“大气中的自由基”，直接整段搬来：
自然界排入大气的大多数微量气体往往是还原态的，以高氧化态回到地表，这些还原性气体并不是被空气中的氧气所氧化，因为分子氧中的O-O键相对较强（502kJ/mol），在常温常压下并不能与大多数还原性气体反应。在20世纪初期人们曾经认为，上述还原性气体是被氧气（O2）、过氧化氢（H2O2）氧化的，而现在已经认识到起氧化作用的是大气中存在的高活性的自由基，它们在洁净大气中的体积分数仅为10-8左右，对这些自由基的认识是20世纪后叶在对流层光化学领域的重要突破。
这里所说的“大气自由基化学”只有一句话：光物理“暴拆”多原子气体产生的碎片“残片”，就是大气“自由基”，自由基之间、自由基和气体分子之间才有类似化学的反应。
科学是和谐统一的，是相通的，物理和化学、水和气也一样，可以相互借鉴相互学习。无机化学反应是溶解电离后的离子反应，大气化学是光物理后的自由基化学，工程脱硝那七八十来个气体分子之间也不会有反应，云和层内气体和PM10以下细颗粒物也没有干沉降。
3、听得清的结论
新理论新工具要解释解决实际问题，GB3095-2012开始全国建设环境空气质量自动监测站，现已遍及全国乡镇，已形成海量的在线监测数据，整理这些同质化烂大街的数据太平常，难登大雅之堂，本文略去看得见的图表，但它会发出振聋发聩的呐喊，人人都能听见。
臭氧的源
地面臭氧有三大源：H2O、NO2和OVOC，各自独立。2019年6月作者发现地面臭氧与湿度和NO2的负相关关系，在华南某“一企一策”专家群讨论时还得不到认可，在线监测运维工程师也不接受。7月就此咨询“部长信箱”“如果因某种需要，在国控或省控站点的采样器下（站房房顶，站点栅栏内），能否实施不包含过滤，洗涤，吸附等可能被认为对采样的空气有净化效果的技术措施，能否不认定属于干扰采样的行为，‘县级以上地方环境保护主管部门’相关人员和领导能否不担责”。多次追问半年后疫情中才手机回复“不行”且未给予任何解释。现在技术团队的“应急减排”“雾森”“雾炮”大行其道但收效甚微。
大气中的水是变化最大可变组分，含量在0~4%之间，是形态、能量、性质变化最大的组分，除了固态（冰晶）、液态（云雾），所说的气态也不是真正的单分子气态，而是多分子团簇，团簇不表现其理想气体性质，在相对湿度低时才会分裂出更多的单分子H2O，而气温高则湿度低，分裂的单分子H2O就多，H2O分子是三原子V型极性分子，在光能驱动下被裂解为氢原子H和氧原子O，氧原子O与氧分子O2结合成O3。这是原始大气或工业革命之前，一直以来，大气氧化性的本源。夏秋臭氧冬春雾霾都呈现地域性和气候性，都与气温和湿度密切相关。中国气象局广州热带海洋气象研究所何国文、邓涛《深圳市秋季近地层臭氧垂直特征研究》表明：低于1.1m/s的偏东风、29℃以上的大气温度、适中的边界层高度（900~1100m）和相对湿度（62%~65%）是深圳秋季发生O3高值的气象要素。
全国近万个环境空气质量监测站点，国控站点多采用美国热电赛默飞42i型分析仪，利用化学发光技术测量NO-NO2-NOx浓度，从监测数据可以看出，这三个参数中的两个是监测值另一个是计算值。拿来夏秋臭氧季任何一个正常日的NO-NO2-NOx和O3小时浓度监测数据，用Excel电子表格插入散点图，将O3放在次坐标轴，边界最大值改为主坐标轴最大值的2倍，再看4条曲线，O3上升时NO-NO2-NOx都在下降，O3与完全镜相关，看得见的曲线似乎在喊：光量子物理！NO2光解产生氧原子O与氧分子O2结合成O3，一个NO2产生两个O3，1个46产生2个48！46:96。而教科书上写的是NO2光解生成NO和O原子，产生HONO自由基。
再拿来冬春季雾霾季任何一个正常日的NO-NO2-NOx和O3小时浓度监测数据，用Excel电子表格插入散点图，在相同坐标系中看4条曲线，NO2上升时O3下降，完全镜相关，这就是“一氧化氮滴定”效应。看得见的曲线似乎在喊：自由基化学！NO+O·=NO2（NO+O3=NO2+O2），一个NO消耗一个O3生成一个NO2，46:48。
从挥发性有机物VOCs定义（TVOC、NMHC/HC）、分类（沸点、蒸气压、基团、元素、形态）、来源（天然源、燃烧源、人为源）、危害（对人体、环境和可能的），可简单地表述为VOCs=AVOC+BVOC、BVOC≈10×AVOC、AVOC≈HC+OVOC。有人对淄博、济宁和菏泽11家汽车喷涂、化工等行业VOCs废气UV光解处理设施进出口臭氧和非甲烷总烃进行了监测，UV光解进口臭氧浓度一般都比较低，与环境空气中臭氧浓度相当，而UV光解出口臭氧浓度一般较高，最高达到21.4mg/m3，增加263倍。有条件有兴趣的学者可以再深入试验研究一下，看看能不能听到“UV可光解OVOC生成O·和O3”的叫声，可以特别讨论油气HC、部分重点行业VOCs管控和OVOCs，HC的危害或被夸大，对OVOCs的危害认识不足，建议重点行业工业企业研究和尝试用HC替代OVOCs。
“光量子物理”简单粗暴，氮氧化物与臭氧之间就是46:48或46:96简单的数字关系，VOCs与臭氧之间复杂点也是元素之间的关系，没有听说所谓“非线性”“EKMA曲线”关系。“光量子物理”之后的“自由基化学”就是“渣渣”的重组重构。
氮氧化物及其源和汇
氮在地壳元素丰度中排第34位，在大气中排名第一约4.11×1015吨，是最重要的成分。六种氮的氧化物以及硝酸和亚硝酸都能存在于大气中，只有N2O、NO和NO2具有可测定的含量。N2O是温室气体，来自自然总量最大，在低层大气中很不活泼，不认为是空气污染物。只有NO和NO2是大气主要污染物，用NOx表示，还有NOy和NOz的说法。
从大气环境技术角度，“氮氧化物”的说法极不科学，应予纠正：大气中的含氮污染物包括天然源的氧化亚氮N2O（温室气体）和人为燃烧源（固定源和移动源）的一氧化氮NO和工业源的“硝酸雾”，一次排放源里几乎没有NO2。NO2是大气二次污染物，源于NO的氧化，主要的汇是光解成N2；燃烧源烟气尾气，只有NO，少有或没有NO2。在环境空气中以N2O为主，在线监测数据可以看出，NO寿命很短浓度很低，很快被氧化成NO2，NO2有明显的时变化和年际变化，在不同时期有不同的危害。氮氧化物与环境空气质量标准中NOx、NO2、O3和PM2.5等4项指标直接对应，与SO2、CO存在竞争，是空气综合指数影响最大的污染物。从大气生理学（不是毒理学）上，氧化亚氮N2O是麻醉剂是“笑气”，一氧化氮NO是“明星分子”是健康的“信使”，只有二氧化氮NO2才是有毒有刺激性的有害气体。
教科书上早有烟气中NO占90%以上的表述，但业内真正关注到的人很少，包括省厅大气处老领导。《山西电力》2007年12月增刊刊登山西省电力公司环境监测中心站冯淼、阎寒冰的《燃煤电厂排烟中NOx构成及浓度换算方法的探讨》，文章整理了81台燃煤电厂锅炉排烟中氮氧化物的现场实测数据，除了燃烧温度更高的10台W型火焰固态排渣炉和2台非W型火焰液态排渣炉NO2平均浓度25ppm外（NOx平均1600mg/m3），其它69台锅炉烟气NO2平均浓度在0~4ppm之间（NOx平均750mg/m3），燃煤电厂锅炉排烟中氮氧化物主要形态是NO，占到99%以上。
烟气里为什么少有NO2？根据烟气数据，结合烟气脱硝的本质、空气臭氧本质，可以大胆断言，高温烟气中的NO2会很快分解，NO2不能存在于高温烟气中，锅炉烟气中NOx主要是温度型，垃圾焚烧和蓄热式焚烧RTO不应考虑NOx。
大气环境化学有“烟雾箱”实验，量子力学有“薛定谔的猫”思维实验，这里不妨也引入六年级的“水箱注水排水问题”进行思维实验：一个透明的水箱底部装有可调控开度的进水口和出水口，长期观察记录水箱水位变化，思考和研究进水口和出水口运行规律。全国近万个站点NO2日均浓度年际变化，假定源强基本不变，冬春雾霾季NO2浓度水平就是夏秋臭氧季NO的排放水平和臭氧增加量，冬夏相差近10倍，可大致判断工程脱硝的真与假。
氮氧化物主要来自燃烧源，工程减排措施包括低氮燃烧和烟气脱硝。烟气脱硝技术分湿法和干法，以选择性催化还原法SCR干法为主，相关规范和专业书籍里，详细介绍了SCR和SNCR以氨或尿素为还原剂脱硝机理，大气量子化后，这些十来个气体分子能约到一起在催化剂上尽情玩耍吗？这些如同水化学的方程式在大气环境中能进行吗？
不管是SCR还是SNCR，名为还原，实为氧化，不是还原NO，而是把NO氧化成NO2以后再还原，氧化是工程脱硝的本质。NO氧化生成的NO2，投加氨水或尿素还原，在监控监测点位处的烟气参数工况下如果可以酸碱中和生成铵盐，或生成其他不能被检测到的成分、水合物等进入大气，其必然结果就是种瓜得瓜、求锤得锤，“夏秋臭氧冬春雾霾”，使其危害加剧，是破坏性的。天津滨环“罗氏脱硝”用锰系催化剂不投氨，与主流氨法表面上只差了个“还原剂”，但本质上相去甚远，“罗氏脱硝”与主流氨法之间有真有假吗？谁真谁假？同燃烧源只有NO没有或少有NO2一样，NO氧化成NO2以后不可能在烟气中长期存在，不用NH3还原，采用其他方法也能脱除。
教科书上把氮氧化物的危害归为一次污染、酸沉降酸雨、地表臭氧、细颗粒物PM2.5和水体富营养化等5种。2007年二氧化硫排放控制解决了中国日益恶化的酸雨问题，在完成脱硫解决“两控区”酸雨问题以后，继续工程脱硝，减少氮氧化物排放。把“氮氧化物”当作酸雨酸沉降整治，在高臭氧强氧化的雨季，显然是搞偏了。酸雨是华南地域性污染，“两控区”外溢效应，造成全国性“冬春雾霾春夏臭氧”灾害。如果氨法烟气脱硝有真有假，只氧化不还原的“不当脱硝”能真切反映当前大气环境实际：在夏秋高温臭氧季，NO2是臭氧的源，不当脱硝“为虎作伥”省了NO的氧化，省时省力定时推高臭氧。在冬春低温雾霾季，NH4NO2、NH3、NO2是雾霾PM的源和吸湿性凝结核，定期触发雾和霾。如果没有烟气脱硝反应，环境空气氧化性AOC弱，NO不会被氧化成雾霾凝结核NO2，NO还是气体，作为外源性“健康信使分子”或能带给人们“幸福生活”，不当脱硝或许可能对人类造成身心伤害。
NO2与O3的关系简单，NO2高的地方O3高，表现为正相关，NO、NO2、O3三者相互转化，此消彼长，表现为镜像负相关。在冬春雾霾季，NO2等是凝结核，是PM2.5。
二次颗粒物气溶胶PM0
颗粒物也称气溶胶，按来源性质可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次气体污染物在光量子物理作用下裂解重组成颗粒态二次污染物。主流空气质量的PM10和PM2.5，非主流的基于散光折光的PM1和PM0.38，本文基于检测手段和方法，提出PM0特指新生成的二次颗粒物气溶胶，它已不是气体不再具有气体性质，现有测试技术装备看不见测不到，但在不同的环境条件下有不同的变化和环境影响。PM0由气“坍缩”而成氣小体积低能量有质量，无动能随风运动，是凝结核靠湿沉降去除。
近几年，我国学界较多研究一次有机气溶胶VOCs、二次有机气溶胶SOA，研究黑炭、棕炭的形成、包裹、老化过程和光学、热学效应。浙江大学刘丹彤研究污染物在边界层的传输和演化时发现，地面黑炭很容易传输到1344m的yanjiaping山上实验室，而PM1不容易。作者理解，BVOC是气体，遵循理想气体方程和道尔顿分压定律，本来在山上或容易扩散到山上，被光物理后形成棕炭黑炭，而PM1是颗粒物气溶胶只能随空气对流或风流动，不能扩散。黑炭和PM1很稳定，不被氧化、碰并长大和干沉降，都表现出量子属性。石家庄王广升注意到玉米采收以后华北即进入“雾霾季”，这是否意味着，春秋植物生长季光解产生的C·被植物利用合成有机质，秋冬产生的C·未被植物利用而形成棕炭黑炭。多原子气体可接受不同波长、不同“直径”螺旋波的光子能量而被解离成自由基和不同的中间产物，进而被氧化自净，其间自由基或可反映到O3浓度上，提高了光能的利用效率，也提高了大气氧化性。除硫氮外，碳氢氧化合物被完全氧化为CO2和H2O，不完全氧化可能会产生OC、EC类PM。
大气中的水汽85%来自海洋蒸发，15%来自陆地的蒸发蒸腾，一次蒸发降水循环只需要9天。蒸发是发生在液体表面的汽化，海浪的蒸发留下海盐颗粒对流进入大气，环流遍及全球。同样的，没有GGH进入脱硫系统的烟气温度从换热后的90℃回到换热前的130℃，以烟气50℃潜热排放，显热增加1倍，多蒸发了1倍50g/m3的水，水分是从喷淋雾化的浆液液滴表面蒸发的，这50g/m3水可以雾化成100μm液滴108个/m3，可以含5g固形物是超低标准的1000倍，蒸干后形成海盐微粒一样的颗粒物PM0，现有测试技术装备看不见测不到，但能感知得到，在不同的环境条件下有不同的变化和环境影响。地面多蒸发的水分不能对流到高空形成云，在冬季低温时高湿，海量的PM0凝结核凝结形成粒径几到十几微米的雾，表现为PM2.5/PM10异常高或倒挂，但达不到毛毛雨200μm和小雨滴500μm的粒径，不能湿沉降移除，超低后“蓝天白云”和“持久大雾”交替频发成为新常态。2012年火电GGH拆除后，2013年全国平均霾日数为35.9天，比2012年增加18.3天，1月份平均每天雾霾覆盖范围71.6万km2，22日达222万km2，几乎覆盖了整个中东部地区。
城市气象和环境
人类活动对城市气候影响显著，我国城市化加速，9亿人密集在城市集中消耗和排放，造成城市热岛、干岛、湿岛、雨岛和混浊岛等“五岛效应”。城市生活生产排放废热和水汽，造成气温比郊区高，夏季蒸腾少，比农村干，臭氧污染重于农村；冬季蒸发大排放水汽多比农村湿，城市高楼致风速减小也使气温增高，城市空气比农村更污浊，有更多的凝结核而成为雨岛和混浊岛。
环境空气质量监测站点全部是城市站点，“五岛效应”影响着城市地面环境空气质量，夏季为热岛、干岛和雨岛，冬季为湿岛和混浊岛，夏秋为臭氧岛，冬春为雾霾岛。
4、结论和建议
我国科学家为大气环境科学做出了有目共睹的巨大贡献，有海量的科研成果，但太多量子化的成果形成的科学“雾霾”让人如坠五里雾中，分不清东西南北，需要“大一统”。大气量子化后，光量子物理和自由基化学一个理论可完美解释臭氧雾霾等多种大气环境现象，是好的、真的理论，值得深入探讨证实或证伪、弘扬或摒弃，可以鄙视但不要无视。
钱钟书先生说：否定问题是解决问题的最好方法。经过几年的污染防治攻坚战，蓝天白云已经常态化，季节性、地域性、气象性的臭氧和雾也已经常化持续化，只有感官没有危害，如果民众和行业能够接受，就不是污染，不必深入开展持续发力，如要继续改善需要认识与思维革命。“国家鼓励开展环境基准研究”，解决雾霾臭氧问题需要“从零做起”做减法，敢于试验试错，而不是“零容忍”“零排放”，需要关注MEE（Material、Energy和Environment），需要研究创立全新的“理论体系”，走出怪圈，实实在在的解决实实在在的问题，中国和环保业都不容许内耗内卷，“百年未有之大变局”需要中国人自己的智慧和贡献。
15个印张的书稿摘编浓缩成此文，其创造性、颠覆性、实用性可见一斑，希请大气环境领域专家学者宽容和无视书稿可能的错误和荒谬，让它顺产，拥抱它呵护它让它长大。窥一斑再看清全豹，让星火燎原。
这本书基于哲学，是《量子哲学》的一个分枝和应用，取名《量子大气学》不为哗众取宠蹭热点，不违和，希请能够理解。书稿引入的新词汇具备现有所有词汇无法达到的精准、深刻、简洁的特征，有助于理解大气环境问题，值得接受和传播。
书稿基于方法学，基层开口数据说话，用别人的数据说自己的事情，希望有更多的朋友学者愿意一起切磋交流探讨，读懂它，运用它，发展它，一起建成新科学的大厦。
100年前，五届索尔维会议输出了一群神级科学巨匠，我们期待这样的新时代——群星璀璨大师云集的中国时代。