治理PM2.5可按圖索驥 衛星地圖首次透視全球氨污染熱點地

沈川

英國《自然》雜志報道，歐洲最大的基礎研究機構法國國家科學研究中心和比利時法語布魯塞爾自由大學的科研人員聯手，利用歐洲氣象衛星（MetOp）上的高分辨率紅外大氣探測干涉儀9年間拍攝的圖像，成功繪制了首份氨排放世界分布圖。氨氣是大氣中唯一的堿性氣體，殊不知它還是形成大氣細顆粒物（PM2.5）的重要前體物，是大氣污染的“幕后推手”。這份地圖對清除大氣治理的心頭大患，“按圖索驥”鎖定控制氨氣排放大有用處。

首份最詳實全球氨排放分布圖

英國《自然》雜志前陣子報道，歐洲航天局過去12年間連續發射3枚氣象衛星MetOp，上面搭載的高分辨率紅外大氣探測干涉儀（IASI），為科研人員提供了大量大氣數據，其中就包括氨氣。2008～2016年間，IASI每日兩次對大氣氨排放水平進行測量并形成圖像資料。歐洲最大的基礎研究機構法國國家科學研究中心和比利時法語布魯塞爾自由大學的科研人員，結合這些資料與谷歌地圖等其他輔助手段進行分析，發現了全球242個排放區域直徑小于31英里（約48公里）的氨排放“熱點地”，以及178個更大面積的排放區域。

在242個氨排放熱點地中，有241個明顯與人類活動有關。其中，83個熱點地的氨氣主要來自牛、雞、豬等畜禽密集養殖產生的糞便;另外158個熱點與含氨肥料生產等工業活動相關，比如印度和巴基斯坦的恒河地區。

在這份地圖中，唯一因自然因素而成為氨排放熱點地的是位于坦桑尼亞和肯尼亞交界處的納特龍湖。這里是東非火烈鳥（紅鸛）最重要的繁殖地。這個咸水湖堿性極髙，湖水pH值高達10.5。

機動車輛的尾氣催化劑也是氨氣排放來源之一，對城市的空氣質量影響甚大，但此類排放源并未在這份地圖中顯示。

以地圖判斷化肥廠投產情況

這份氨排放地圖還透露出其他重要信息。圖中顯示的絕大部分氨排放熱點與人類活動之間的因果關系“確切無疑”。僅憑圖中大氣氨排放水平變化就能輕易判斷出哪些工廠處于正常生產、已經關閉或者出現擴產等狀態。比如我國新疆地區2012年出現的氨排放高峰期就正好與當時的若干肥料廠新投產相吻合。

值得關注的是，研究人員發現該圖所顯示的排放熱點中約有2/3屬于首次觀測到，并且即使是過去已記載的排放熱點，該地圖所顯示的氨氣排放水平也比以前測量的值更高，這說明以往的研究大大低估了全球氨排放的規模。

易被忽視的PM2.5“幕后推手”

PM2.5可以分成兩類：直接排放到大氣中的細顆粒物（一次顆粒物）和在空氣中通過反應生成的細顆粒物（二次顆粒物）。二次顆粒物的生成其實和氨氣密不可分。

氨是大氣中唯一的堿性氣體，具有強烈的刺激性臭味，極易溶于水，它是地球氮循環的自然組成部分。不過，氨氣并不“安分守己”。燃煤、汽車尾氣等排放出的二氧化硫、氮氧化物在大氣中先氧化成氣態硫酸、硝酸，再與工農業排放的過量氨氣中和，會生成硝酸銨、硫酸銨等二次顆粒物。在充分吸收水分后，這些二次顆粒物的直徑漲到可以接近可見光的波段，消光作用極強，達到特定濃度后，霧霾天氣就會出現。它們正是PM2.5的重要來源，所以說氨氣是霾污染的“生成促進劑”。

在重污染天氣里，氨污染具有爆發效應，硫酸銨、硝酸銨濃度增長非常快，可達十幾倍，而有機碳等其他污染物的濃度一般增長幾倍。有時候，硫酸銨、硝酸銨在PM2.5中所占的比重高達80%。

美國猶他州首府鹽湖城是個典型案例。該市每到冬季常常出現“逆溫”現象，髙氣壓將冷空氣牢牢鎖定在盆地底部，空氣污染物無法擴散，大量顆粒物聚集形成霧霾，當地居民甚至因此自嘲該城為“霾湖城”（Smog Lake City）。2017年該市兩次最嚴重的逆溫天氣共持續17天，有研究者利用飛機、氣球和地面觀測站等手段分析顆粒物成分，發現硝酸銨約占2/3，而其源頭正是猶他州大量使用的含氨液態肥，以及禽畜糞便堆積嚴重的農場。

PM2.5中的水溶性、脂溶性化學物質，進入呼吸系統后就難以排出，可以溶解在人的體液中，對人體潛在危害大，硫酸銨、硝酸銨等無機鹽恰洽是水溶性物質。

細菌分解有機物或者山火燃燒時會產生氨氣，不過與這些自然因素相比，人類活動才是氨氣“大爆炸”的主要因素。氨氣是洗淥用品、肥料、制冷劑中再普通不過的原料。過去70年間，全球氨排放量增長了一倍，且保持擴大勢頭，這很大程度上要歸結于日益增長的化肥使用。在發達國家，約80%～95%的氨排放來自氨肥施用和禽畜排泄物。

大氣中的氨氣和含氨化合物進入生態系統富集之后，會破壞敏感生物的棲息環境;在土壤表面施肥造成的氨排放還會降低氮在食物鏈中的利用效率，并導致溫室氣體排放增加。

衛星遙感打開氨排放“黒匣子”

測量氨排放的傳統手段是將氨排放活動的密度乘以數量進行推算，比如將養殖一頭牛產生的氨排放量乘以整個地區牛的數量，就能推算出該地的氨排放總量。全球各地并非都通過立法要求對氨排放活動進行拫備登記，這種排放因子測算法難免出現遺漏，而且利用地面手段測量氨氣難度比較大，因為氨氣排放后存在的時間往往不到一天，很快就會與其他物質反應形成顆粒污染物，這種特性往往讓地面監測系統束手無措。

2013年，美國環保署曾對9個州涵蓋生豬、奶牛、家禽養殖的24個地點進行為期2年的氨排放監測研究，結果項目被迫半途中止，因為環保署專家對采數據的準確性表示懷疑。荷蘭阿姆斯特丹自由大學的氮氣研究專家吉安·威樂姆·艾瑞斯曼坦言，盡管該國擁有大量地面空氣監測站，可“依然無法全面掌握氨排放行蹤，由此更顯衛星探測手段的重要性”。

相比于大氣中其他氣體的濃度，氨氣的濃度顯得較低，所以人們對遙感測量技術能否勝任一直懷有疑惑，法國國家科學研究中心（CNRS）的物理學家凱西·科樂鮑克斯表示，氨氣“是我們從未想過能從太空中探測到的污染物”。

“與構成PM2.5的其他前體污染物如氮氧化物和硫氧化物相比，氨氣就像‘黑匣子’。”普林斯頓大學環境工程師馬克·詹德羅認為，“衛星能幫我們更好地了解這種污染物，尤其是針對它在整個形成期內因時空而隨時變化的特點。”

衛星技術為氨排放地圖的繪制創造了很多便利，然而此次研究并非首創。在過去十年間，除了IASI，像美國的國家極地軌道伴隨衛星Suomi

NPP上搭載的跨軌跡紅外探測器（CrlS）、Aura衛星上搭載的對流層發射光譜儀（TES）、Aqua衛星上搭載的大氣紅外探測儀（AIRS）等都先后對包括氨氣在內的大氣成分進行過探測。

其中，根據AIRS2002～2016年采集的數據，馬里蘭州大學研究者領銜的科研團隊繪制出了針對美國、歐洲、中國、印度等世界主要農業產地的氨排放地圖。在解釋氨排放增長原因時，除了化肥使用量增加、肉類生產擴大等因素之外，該研究還特別指出土壤升溫會促進氨揮發，減少氨在土壤中的涵養量。

法國國家科學研究中心此次繪制氨排放圖采用了“過采樣”（oversampling）技術，因此得到更多數據，繪制的地圖更為精確。9年間IASI每天都進行全球掃描，并在上午和下午9點半兩次對觀測數據進行記錄，將兩次記錄時的觀測地點調整成略有不同，將9年間的數據平均之后，就獲得了高清晰度圖像，從中確認出數百個氨氣排放源。

不過，作為一種新興技術，衛星監測氨氣仍存在很大局限性，最大障礙是測量時要求大氣處于無云狀態，并且要求地面或海面與大氣之間存在一定的溫差。受此限制，這項研究測量的區域僅鎖定在溫帶和熱帶氣候地區。