那不勒斯城市大气中烟花烟雾的化学与粒径解析特征：基于2025年足球夺冠庆典的观测研究

《Atmospheric Environment: X》：Chemical and Size-Resolved Signatures of Firework Smoke in an Urban Atmosphere

为评估大规模、多日、城市级非传统烟花排放事件对大气化学成分和公众健康的急性暴露风险，研究人员利用高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪（HR-ToF-AMS）和光学粒径谱仪（OPS），对2025年5月那不勒斯足球夺冠庆典期间的空气进行了实时监测。研究揭示了烟花释放导致PM2.5化学成分发生急剧变化，其独特的化学指纹（如Cl富集、金属示踪剂Ba/Sr/Cu、及燃料/染料分子）和氧化态降低的有机物可在大气中持续数日。这项工作强调了结合化学与粒径解析监测对全面评估城市突发事件空气污染的重要性。

　　

每逢节庆，烟花表演总是点燃夜空，带来绚烂的视觉盛宴，但在这短暂的璀璨背后，空气中往往弥漫着刺鼻的烟雾。这些“庆典的代价”究竟对空气质量产生多大的瞬时冲击？其化学成分有何独特之处？又会对人群健康带来怎样的短期暴露风险？尽管人们对常规污染源（如交通、工业）的影响已有较多研究，但对烟花、烟雾弹等偶发性、大规模的非传统人为排放源的认识仍相对有限。特别是在城市环境中，密集人群在数小时内暴露于急剧升高的污染物中，构成了独特的公共健康关切。2025年5月23日，意大利那不勒斯市因当地足球队（SSC Napoli）赢得“意甲冠军”（Scudetto），引发了持续多日的全市范围庆祝活动，大量烟花和烟雾弹的使用为研究这类“非传统烟花污染事件”提供了一个绝佳的、真实的“自然实验”场景。

为深入探究这一问题，由Francesca Picca、Fabio Sasso和Andrea D’Anna组成的研究团队，在位于那不勒斯市区的大学实验室（CeSMA）开展了一项为期十天的连续观测研究。他们综合利用了两种先进仪器：高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪（High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer, HR-ToF-AMS，含碳黑颗粒模块）和光学粒径谱仪（Optical Particle Sizer, OPS）。HR-ToF-AMS能够实时、在线分析亚微米级气溶胶颗粒的化学组成和质量浓度，其高分辨率模式甚至可以解析特定的金属离子和有机分子碎片；而OPS则用于测量0.3至10微米范围内颗粒物的数量浓度和粒径分布。这项研究旨在从化学和物理（粒径）两个维度，全面刻画这场大规模城市庆典对大气气溶胶的瞬时及持续影响。相关成果最终发表在《Atmospheric Environment: X》期刊上。

主要研究方法概述：

研究人员在2025年5月22日至31日期间，于意大利那不勒斯大学费德里科二世大学的一个地面站点进行了连续监测。研究核心是两台仪器：高分辨率飞行时间气溶胶质谱仪（HR-ToF-AMS）用于获取气溶胶的实时化学成分、质量和粒径（空气动力学直径）信息，特别通过其碳黑颗粒（SP-AMS）模块检测了金属离子（如Ba⁺, Sr⁺, Cu⁺）和难熔组分；光学粒径谱仪（OPS）用于测量0.3-10微米粒径范围内颗粒物的数量浓度和光学等效粒径分布。数据涵盖了庆典前、庆典期间（核心庆祝夜为5月23-24日）及庆典后阶段，以便进行对比分析。

研究结果：

3.1. 时间序列分析

监测数据显示，在庆典之夜（5月23-24日），所有主要气溶胶组分浓度均急剧上升。有机气溶胶（ORG）、氯化物（Cl）和硝酸盐（NO₃）的增长最为显著。其中，氯化物从庆典前近乎为零的背景值跃升为气溶胶总质量的重要组成部分，这是烟花中富含氯酸盐/高氯酸盐氧化剂的典型特征。硝酸盐的激增则与硝酸钾等氧化剂的使用有关。同时，碳黑（BC）浓度也大约翻倍，表明了烟花、信号弹燃烧及庆祝活动相关交通排放带来的大量碳黑输入。

3.2. ARPAC对比

研究将HR-ToF-AMS测得的PM_2.5小时平均浓度与附近区域环境监测站（ARPAC）的日均数据进行了对比。两者都捕捉到了庆典夜间的PM_2.5峰值，证实了监测到的污染事件具有区域代表性。与当地另一个主要的烟花事件——2025年新年夜相比，本次夺冠庆典的PM_2.5峰值浓度较低，但气溶胶化学成分的异常状态（compositional anomalies）持续更久，这突显了仅依靠PM_2.5质量浓度这一标准监管指标，不足以全面评估此类事件的影响。

3.3. 气溶胶化学组成

高分辨率质谱分析将离子碎片归纳为9个化学家族。庆典期间，气溶胶化学组成发生显著变化。庆典之夜，富含碳氢的碎片（CH家族）贡献从29.6%增至38.7%，表明新鲜、未充分氧化的有机燃烧产物大量输入。氯化物（Cl家族）的贡献从不到1%飙升至近8%，成为烟花排放的强烈指纹。同时，含一个氧原子的有机碎片（CHO₁）比例也增加，而多氧碎片（CHOgt1）变化相对平缓，表明是新鲜排放与城市背景老化气溶胶的混合。

3.4. HR-ToF-AMS中的示踪剂特征

研究成功检测到与彩色烟花配方相关的金属示踪剂，包括钡（Ba，绿色）、锶（Sr，红色）和铜（Cu，蓝色）。尽管它们的绝对浓度很低，但在庆典开始时均出现了同步的、显著的峰值，直接印证了其来自烟花的排放。此外，研究还追踪了烟雾弹燃料（如乳糖C₁₂H₂₂O₁₁及其热解产物葡萄糖）以及多种染料分子（如靛蓝、多种红/绿色染料）的碎片信号，这些有机物在庆典期间的浓度也同步激增，为烟雾弹的使用提供了直接的分子水平证据。

3.5. 元素分析与碳氧化态

通过分析有机气溶胶的氢碳比（H:C）和氧碳比（O:C），绘制范克莱维伦图（Van Krevelen diagram）。研究发现，在庆典期间及之后，有机气溶胶的平均O:C下降，H:C略有上升，碳氧化态（OSc）降低。这与典型的大气老化（氧化导致O:C升高，H:C降低）趋势相反，表明有新鲜的、氧化程度较低的一次燃烧源有机物（来自烟花和信号弹）输入，并且这种化学状态在庆典后数日依然得以维持。

3.6. 颗粒物粒径分布分析

粒径分析揭示了一个重要的暴露风险“双重性”。OPS数据显示，庆典期间，特别是亚微米级（<1 μm）的颗粒物数量浓度急剧增加，表明有大量新生成的超细粒子。而HR-ToF-AMS的粒径质谱（P-ToF）数据显示，气溶胶质量则主要累积在积聚模态（~500-700 nm）。这意味着，虽然大部分质量集中在可吸入的细颗粒上，但数量上占优的更细粒子带来了额外的暴露担忧。此外，OPS还观测到粗颗粒模态（~5 μm）质量在庆典期间显著增强，这来自于烟花燃烧直接产生的大颗粒残留物。

研究结论与重要意义：

这项研究清晰地表明，像足球夺冠庆典这样大规模、多日、遍布全市的烟花和烟雾弹使用，能够在城市大气中引发一场剧烈而复杂的急性污染事件。它不仅是PM_2.5质量浓度的短暂飙升，更带来了气溶胶化学组成的深刻改变。研究识别出一系列独特的烟花“指纹”，包括显著的氯化物富集、彩色金属示踪剂（Ba, Sr, Cu）的同步激增、烃类碎片增加、以及特定的燃料和染料分子信号。这些化学特征在庆典后仍可在大气中持续数天，尽管PM_2.5总质量已快速回落至背景水平附近，这揭示了“化学恢复”滞后于“质量恢复”的现象。

更关键的是，粒径解析的观测揭示了“质量暴露”与“数量暴露”的双重风险：PM质量主要增加在可进入肺部深处的积聚模态颗粒上，而颗粒物数量则在亚微米范围，特别是超细颗粒段剧增，后者因其巨大的比表面积和潜在的穿透能力，可能带来不同的健康风险。此外，常规空气质量监测关注的PM_2.5指标，会严重低估烟花排放带来的瞬时超细颗粒暴露以及持续的粗颗粒负担。

因此，这项工作超越了传统上对单一夜晚、集中式烟花表演的研究，提供了一个城市尺度、多日“非传统”烟花排放事件的完整案例。它强有力地证明，要全面评估此类偶发性城市排放事件对空气质量及短期人群暴露的真实影响，必须采用化学组成与粒径分布相结合的高分辨率综合监测手段。仅依赖PM_2.5质量浓度这一标准监管指标是远远不够的。这项研究为城市突发污染事件的风险评估、公共健康预警以及更精细化的空气质量管理策略的制定，提供了重要的科学依据。