治理PM2.5可按图索骥 卫星地图首次透视全球氨污染热点地

沈川

英国《自然》杂志报道，欧洲最大的基础研究机构法国国家科学研究中心和比利时法语布鲁塞尔自由大学的科研人员联手，利用欧洲气象卫星（MetOp）上的高分辨率红外大气探测干涉仪9年间拍摄的图像，成功绘制了首份氨排放世界分布图。氨气是大气中唯一的碱性气体，殊不知它还是形成大气细颗粒物（PM2.5）的重要前体物，是大气污染的“幕后推手”。这份地图对清除大气治理的心头大患，“按图索骥”锁定控制氨气排放大有用处。

首份最详实全球氨排放分布图

英国《自然》杂志前阵子报道，欧洲航天局过去12年间连续发射3枚气象卫星MetOp，上面搭载的高分辨率红外大气探测干涉仪（IASI），为科研人员提供了大量大气数据，其中就包括氨气。2008～2016年间，IASI每日两次对大气氨排放水平进行测量并形成图像资料。欧洲最大的基础研究机构法国国家科学研究中心和比利时法语布鲁塞尔自由大学的科研人员，结合这些资料与谷歌地图等其他辅助手段进行分析，发现了全球242个排放区域直径小于31英里（约48公里）的氨排放“热点地”，以及178个更大面积的排放区域。

在242个氨排放热点地中，有241个明显与人类活动有关。其中，83个热点地的氨气主要来自牛、鸡、猪等畜禽密集养殖产生的粪便;另外158个热点与含氨肥料生产等工业活动相关，比如印度和巴基斯坦的恒河地区。

在这份地图中，唯一因自然因素而成为氨排放热点地的是位于坦桑尼亚和肯尼亚交界处的纳特龙湖。这里是东非火烈鸟（红鹳）最重要的繁殖地。这个咸水湖碱性极髙，湖水pH值高达10.5。

机动车辆的尾气催化剂也是氨气排放来源之一，对城市的空气质量影响甚大，但此類排放源并未在这份地图中显示。

以地图判断化肥厂投产情况

这份氨排放地图还透露出其他重要信息。图中显示的绝大部分氨排放热点与人类活动之间的因果关系“确切无疑”。仅凭图中大气氨排放水平变化就能轻易判断出哪些工厂处于正常生产、已经关闭或者出现扩产等状态。比如我国新疆地区2012年出现的氨排放高峰期就正好与当时的若干肥料厂新投产相吻合。

值得关注的是，研究人员发现该图所显示的排放热点中约有2/3属于首次观测到，并且即使是过去已记载的排放热点，该地图所显示的氨气排放水平也比以前测量的值更高，这说明以往的研究大大低估了全球氨排放的规模。

易被忽视的PM2.5“幕后推手”

PM2.5可以分成两类：直接排放到大气中的细颗粒物（一次颗粒物）和在空气中通过反应生成的细颗粒物（二次颗粒物）。二次颗粒物的生成其实和氨气密不可分。

氨是大气中唯一的碱性气体，具有强烈的刺激性臭味，极易溶于水，它是地球氮循环的自然组成部分。不过，氨气并不“安分守己”。燃煤、汽车尾气等排放出的二氧化硫、氮氧化物在大气中先氧化成气态硫酸、硝酸，再与工农业排放的过量氨气中和，会生成硝酸铵、硫酸铵等二次颗粒物。在充分吸收水分后，这些二次颗粒物的直径涨到可以接近可见光的波段，消光作用极强，达到特定浓度后，雾霾天气就会出现。它们正是PM2.5的重要来源，所以说氨气是霾污染的“生成促进剂”。

在重污染天气里，氨污染具有爆发效应，硫酸铵、硝酸铵浓度增长非常快，可达十几倍，而有机碳等其他污染物的浓度一般增长几倍。有时候，硫酸铵、硝酸铵在PM2.5中所占的比重高达80%。

美国犹他州首府盐湖城是个典型案例。该市每到冬季常常出现“逆温”现象，髙气压将冷空气牢牢锁定在盆地底部，空气污染物无法扩散，大量颗粒物聚集形成雾霾，当地居民甚至因此自嘲该城为“霾湖城”（Smog Lake City）。2017年该市两次最严重的逆温天气共持续17天，有研究者利用飞机、气球和地面观测站等手段分析颗粒物成分，发现硝酸铵约占2/3，而其源头正是犹他州大量使用的含氨液态肥，以及禽畜粪便堆积严重的农场。

PM2.5中的水溶性、脂溶性化学物质，进入呼吸系统后就难以排出，可以溶解在人的体液中，对人体潜在危害大，硫酸铵、硝酸铵等无机盐恰洽是水溶性物质。

细菌分解有机物或者山火燃烧时会产生氨气，不过与这些自然因素相比，人类活动才是氨气“大爆炸”的主要因素。氨气是洗渌用品、肥料、制冷剂中再普通不过的原料。过去70年间，全球氨排放量增长了一倍，且保持扩大势头，这很大程度上要归结于日益增长的化肥使用。在发达国家，约80%～95%的氨排放来自氨肥施用和禽畜排泄物。

大气中的氨气和含氨化合物进入生态系统富集之后，会破坏敏感生物的栖息环境;在土壤表面施肥造成的氨排放还会降低氮在食物链中的利用效率，并导致温室气体排放增加。

卫星遥感打开氨排放“黒匣子”

测量氨排放的传统手段是将氨排放活动的密度乘以数量进行推算，比如将养殖一头牛产生的氨排放量乘以整个地区牛的数量，就能推算出该地的氨排放总量。全球各地并非都通过立法要求对氨排放活动进行拫备登记，这种排放因子测算法难免出现遗漏，而且利用地面手段测量氨气难度比较大，因为氨气排放后存在的时间往往不到一天，很快就会与其他物质反应形成颗粒污染物，这种特性往往让地面监测系统束手无措。

2013年，美国环保署曾对9个州涵盖生猪、奶牛、家禽养殖的24个地点进行为期2年的氨排放监测研究，结果项目被迫半途中止，因为环保署专家对采数据的准确性表示怀疑。荷兰阿姆斯特丹自由大学的氮气研究专家吉安·威乐姆·艾瑞斯曼坦言，尽管该国拥有大量地面空气监测站，可“依然无法全面掌握氨排放行踪，由此更显卫星探测手段的重要性”。

相比于大气中其他气体的浓度，氨气的浓度显得较低，所以人们对遥感测量技术能否胜任一直怀有疑惑，法国国家科学研究中心（CNRS）的物理学家凯西·科乐鲍克斯表示，氨气“是我们从未想过能从太空中探测到的污染物”。

“与构成PM2.5的其他前体污染物如氮氧化物和硫氧化物相比，氨气就像‘黑匣子’。”普林斯顿大学环境工程师马克·詹德罗认为，“卫星能帮我们更好地了解这种污染物，尤其是针对它在整个形成期内因时空而随时变化的特点。”

卫星技术为氨排放地图的绘制创造了很多便利，然而此次研究并非首创。在过去十年间，除了IASI，像美国的国家极地轨道伴随卫星Suomi

NPP上搭载的跨轨迹红外探测器（CrlS）、Aura卫星上搭载的对流层发射光谱仪（TES）、Aqua卫星上搭载的大气红外探测仪（AIRS）等都先后对包括氨气在内的大气成分进行过探测。

其中，根据AIRS2002～2016年采集的数据，马里兰州大学研究者领衔的科研团队绘制出了针对美国、欧洲、中国、印度等世界主要农业产地的氨排放地图。在解释氨排放增长原因时，除了化肥使用量增加、肉类生产扩大等因素之外，该研究还特别指出土壤升温会促进氨挥发，减少氨在土壤中的涵养量。

法国国家科学研究中心此次绘制氨排放图采用了“过采样”（oversampling）技术，因此得到更多数据，绘制的地图更为精确。9年间IASI每天都进行全球扫描，并在上午和下午9点半两次对观测数据进行记录，将两次记录时的观测地点调整成略有不同，将9年间的数据平均之后，就获得了高清晰度图像，从中确认出数百个氨气排放源。

不过，作为一种新兴技术，卫星监测氨气仍存在很大局限性，最大障碍是测量时要求大气处于无云状态，并且要求地面或海面与大气之间存在一定的温差。受此限制，这项研究测量的区域仅锁定在温带和热带气候地区。