沈川

英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，歐洲最大的基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心和比利時(shí)法語(yǔ)布魯塞爾自由大學(xué)的科研人員聯(lián)手，利用歐洲氣象衛(wèi)星（MetOp）上的高分辨率紅外大氣探測(cè)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(xì)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(duì)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(shí)全球氨排放分布圖

英國(guó)《自然》雜志前陣子報(bào)道，歐洲航天局過(guò)去12年間連續(xù)發(fā)射3枚氣象衛(wèi)星MetOp，上面搭載的高分辨率紅外大氣探測(cè)干涉儀（IASI），為科研人員提供了大量大氣數(shù)據(jù)，其中就包括氨氣。2008～2016年間，IASI每日兩次對(duì)大氣氨排放水平進(jìn)行測(cè)量并形成圖像資料。歐洲最大的基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心和比利時(shí)法語(yǔ)布魯塞爾自由大學(xué)的科研人員，結(jié)合這些資料與谷歌地圖等其他輔助手段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了全球242個(gè)排放區(qū)域直徑小于31英里（約48公里）的氨排放“熱點(diǎn)地”，以及178個(gè)更大面積的排放區(qū)域。

在242個(gè)氨排放熱點(diǎn)地中，有241個(gè)明顯與人類活動(dòng)有關(guān)。其中，83個(gè)熱點(diǎn)地的氨氣主要來(lái)自牛、雞、豬等畜禽密集養(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便;另外158個(gè)熱點(diǎn)與含氨肥料生產(chǎn)等工業(yè)活動(dòng)相關(guān)，比如印度和巴基斯坦的恒河地區(qū)。

在這份地圖中，唯一因自然因素而成為氨排放熱點(diǎn)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(niǎo)（紅鸛）最重要的繁殖地。這個(gè)咸水湖堿性極髙，湖水pH值高達(dá)10.5。

機(jī)動(dòng)車輛的尾氣催化劑也是氨氣排放來(lái)源之一，對(duì)城市的空氣質(zhì)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(chǎn)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(diǎn)與人類活動(dòng)之間的因果關(guān)系“確切無(wú)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(chǎn)、已經(jīng)關(guān)閉或者出現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn)等狀態(tài)。比如我國(guó)新疆地區(qū)2012年出現(xiàn)的氨排放高峰期就正好與當(dāng)時(shí)的若干肥料廠新投產(chǎn)相吻合。

值得關(guān)注的是，研究人員發(fā)現(xiàn)該圖所顯示的排放熱點(diǎn)中約有2/3屬于首次觀測(cè)到，并且即使是過(guò)去已記載的排放熱點(diǎn)，該地圖所顯示的氨氣排放水平也比以前測(cè)量的值更高，這說(shuō)明以往的研究大大低估了全球氨排放的規(guī)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(xì)顆粒物（一次顆粒物）和在空氣中通過(guò)反應(yīng)生成的細(xì)顆粒物（二次顆粒物）。二次顆粒物的生成其實(shí)和氨氣密不可分。

氨是大氣中唯一的堿性氣體，具有強(qiáng)烈的刺激性臭味，極易溶于水，它是地球氮循環(huán)的自然組成部分。不過(guò)，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(tài)硫酸、硝酸，再與工農(nóng)業(yè)排放的過(guò)量氨氣中和，會(huì)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(jiàn)光的波段，消光作用極強(qiáng)，達(dá)到特定濃度后，霧霾天氣就會(huì)出現(xiàn)。它們正是PM2.5的重要來(lái)源，所以說(shuō)氨氣是霾污染的“生成促進(jìn)劑”。

在重污染天氣里，氨污染具有爆發(fā)效應(yīng)，硫酸銨、硝酸銨濃度增長(zhǎng)非?？欤蛇_(dá)十幾倍，而有機(jī)碳等其他污染物的濃度一般增長(zhǎng)幾倍。有時(shí)候，硫酸銨、硝酸銨在PM2.5中所占的比重高達(dá)80%。

美國(guó)猶他州首府鹽湖城是個(gè)典型案例。該市每到冬季常常出現(xiàn)“逆溫”現(xiàn)象，髙氣壓將冷空氣牢牢鎖定在盆地底部，空氣污染物無(wú)法擴(kuò)散，大量顆粒物聚集形成霧霾，當(dāng)?shù)鼐用裆踔烈虼俗猿霸摮菫椤蚌埠恰保⊿mog Lake City）。2017年該市兩次最嚴(yán)重的逆溫天氣共持續(xù)17天，有研究者利用飛機(jī)、氣球和地面觀測(cè)站等手段分析顆粒物成分，發(fā)現(xiàn)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(tài)肥，以及禽畜糞便堆積嚴(yán)重的農(nóng)場(chǎng)。

PM2.5中的水溶性、脂溶性化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)入呼吸系統(tǒng)后就難以排出，可以溶解在人的體液中，對(duì)人體潛在危害大，硫酸銨、硝酸銨等無(wú)機(jī)鹽恰洽是水溶性物質(zhì)。

細(xì)菌分解有機(jī)物或者山火燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生氨氣，不過(guò)與這些自然因素相比，人類活動(dòng)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(guò)的原料。過(guò)去70年間，全球氨排放量增長(zhǎng)了一倍，且保持?jǐn)U大勢(shì)頭，這很大程度上要?dú)w結(jié)于日益增長(zhǎng)的化肥使用。在發(fā)達(dá)國(guó)家，約80%～95%的氨排放來(lái)自氨肥施用和禽畜排泄物。

大氣中的氨氣和含氨化合物進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)富集之后，會(huì)破壞敏感生物的棲息環(huán)境;在土壤表面施肥造成的氨排放還會(huì)降低氮在食物鏈中的利用效率，并導(dǎo)致溫室氣體排放增加。

衛(wèi)星遙感打開(kāi)氨排放“黒匣子”

測(cè)量氨排放的傳統(tǒng)手段是將氨排放活動(dòng)的密度乘以數(shù)量進(jìn)行推算，比如將養(yǎng)殖一頭牛產(chǎn)生的氨排放量乘以整個(gè)地區(qū)牛的數(shù)量，就能推算出該地的氨排放總量。全球各地并非都通過(guò)立法要求對(duì)氨排放活動(dòng)進(jìn)行拫備登記，這種排放因子測(cè)算法難免出現(xiàn)遺漏，而且利用地面手段測(cè)量氨氣難度比較大，因?yàn)榘睔馀欧藕蟠嬖诘臅r(shí)間往往不到一天，很快就會(huì)與其他物質(zhì)反應(yīng)形成顆粒污染物，這種特性往往讓地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)束手無(wú)措。

2013年，美國(guó)環(huán)保署曾對(duì)9個(gè)州涵蓋生豬、奶牛、家禽養(yǎng)殖的24個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行為期2年的氨排放監(jiān)測(cè)研究，結(jié)果項(xiàng)目被迫半途中止，因?yàn)榄h(huán)保署專家對(duì)采數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性表示懷疑。荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)的氮?dú)庋芯繉＜壹病ね?lè)姆·艾瑞斯曼坦言，盡管該國(guó)擁有大量地面空氣監(jiān)測(cè)站，可“依然無(wú)法全面掌握氨排放行蹤，由此更顯衛(wèi)星探測(cè)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(duì)遙感測(cè)量技術(shù)能否勝任一直懷有疑惑，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）的物理學(xué)家凱西·科樂(lè)鮑克斯表示，氨氣“是我們從未想過(guò)能從太空中探測(cè)到的污染物”。

“與構(gòu)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(xué)環(huán)境工程師馬克·詹德羅認(rèn)為，“衛(wèi)星能幫我們更好地了解這種污染物，尤其是針對(duì)它在整個(gè)形成期內(nèi)因時(shí)空而隨時(shí)變化的特點(diǎn)。”

衛(wèi)星技術(shù)為氨排放地圖的繪制創(chuàng)造了很多便利，然而此次研究并非首創(chuàng)。在過(guò)去十年間，除了IASI，像美國(guó)的國(guó)家極地軌道伴隨衛(wèi)星Suomi

NPP上搭載的跨軌跡紅外探測(cè)器（CrlS）、Aura衛(wèi)星上搭載的對(duì)流層發(fā)射光譜儀（TES）、Aqua衛(wèi)星上搭載的大氣紅外探測(cè)儀（AIRS）等都先后對(duì)包括氨氣在內(nèi)的大氣成分進(jìn)行過(guò)探測(cè)。

其中，根據(jù)AIRS2002～2016年采集的數(shù)據(jù)，馬里蘭州大學(xué)研究者領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)繪制出了針對(duì)美國(guó)、歐洲、中國(guó)、印度等世界主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)地的氨排放地圖。在解釋氨排放增長(zhǎng)原因時(shí)，除了化肥使用量增加、肉類生產(chǎn)擴(kuò)大等因素之外，該研究還特別指出土壤升溫會(huì)促進(jìn)氨揮發(fā)，減少氨在土壤中的涵養(yǎng)量。

法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心此次繪制氨排放圖采用了“過(guò)采樣”（oversampling）技術(shù)，因此得到更多數(shù)據(jù)，繪制的地圖更為精確。9年間IASI每天都進(jìn)行全球掃描，并在上午和下午9點(diǎn)半兩次對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，將兩次記錄時(shí)的觀測(cè)地點(diǎn)調(diào)整成略有不同，將9年間的數(shù)據(jù)平均之后，就獲得了高清晰度圖像，從中確認(rèn)出數(shù)百個(gè)氨氣排放源。

不過(guò)，作為一種新興技術(shù)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)氨氣仍存在很大局限性，最大障礙是測(cè)量時(shí)要求大氣處于無(wú)云狀態(tài)，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(xiàng)研究測(cè)量的區(qū)域僅鎖定在溫帶和熱帶氣候地區(qū)。