12月17日王大元博主写博文介绍了NASA12月14日新发布的全球二氧化氮（NO₂）浓度分布和变化的遥感图，翻译了美国有线电视新闻网(CNN)相关新闻的部分语句。这次NASA发布的遥感图和CNN新闻实际上告诉我们重要信息： 

（1）   尽管中国近十年来，空气污染仍然十分严重而且还在加重，但这是第一次由国际顶级研究单位发布研究成果说明：因为政府和公众的努力，在北京、上海和珠三角都市圈等局部地区，空气污染已经出现了明显的改善状况和倾向。

（2）   根据这些遥感图展示的状况，说明燃煤和工业过程的NO₂排放量可能超过机动车相当多。因此我们关于在雾霾污染的源解析中，有关硝酸根来源的认识，需要进行修正。

 

背景情况：

二氧化氮（NO₂）是一种重要的，对人体健康有害的空气污染物，早已在国际和国内得到重视。我国90年代后期开始执行的空气污染指数（API）制度中有三种空气污染物，除PM₁₀和SO₂外，就是氮氧化物（NOx）（指一氧化氮NO和二氧化氮NO₂）。之后因为NO寿命短，会转化为NO₂，因此在2000年7月后改为PM₁₀、SO₂和NO₂。2012年发布新的空气质量指数（AQI）系统，含6种空气污染物，也含二氧化氮：PM_2.5、PM₁₀、O₃、CO、SO₂和NO₂。

 

但是，NO₂不是“长寿命”的污染气体。在强阳光下，并存在非甲烷烃类活化分子时，NO₂是光化学烟雾的主要反应物；此外，NO₂也会在空气中进一步氧化，生成硝酸滴或硝酸盐。因此NO₂是酸雨的前体物，也是灰霾/雾霾细颗粒物的前体物。因为寿命短，NO₂不能像PM_2.5那样较长时间（例如几天）地在空气中游荡，在局部地域累积。因此很少发现NO₂的超高浓度。即使在严重雾霾期间，查查监测数据，NO₂浓度会比较平时高一些，但尚能“容忍”。 

 

在以前重视的三种空气污染物中，PM₁₀（灰霾或雾霾污染或沙尘暴除外）和SO₂的地面浓度，各地城市多年来都有所改善，体现了当地政府、环保部门和公众的努力。但是NO₂地面浓度水平是有所增加的，主要原因也很明显：各地城市里汽车数量在迅速增加，它们是NO₂的主要污染源之一！ 

 

NASA发布NO₂遥感图和信息：

NASA研究人员应用臭氧监测系统测定了对流层（Troposphere）内NO₂的柱密度空间分布。NASA发布的图有13张，其中我们比较有兴趣的是7张：全球2005年和2014年NO₂平均浓度分布（2张），美国2005年和2014年NO₂平均浓度分布（2张），美国、西欧和东亚2014年和2005年比较NO₂平均浓度的变化分布（各1张）。（注：对流层是大气层内紧接地面的空气层，以因为太阳辐射加热地面，存在较强垂直气流活动而得名。层内含90%以上水物质，几乎所有气象现象都发生于该层之内。赤道热带对流层约厚12公里，中纬度约10公里，南北两极约厚8公里。）

 

CNN新闻人员Monica Sarkar的主要评论是：

1.    NO₂是一种重要（a major）空气污染物。根据世界卫生组织（WHO）的信息，暴露于NO₂可能引发哮喘、气管炎、肺炎和肺功能减退。

2.    对2014年和2005年平均浓度分布比较，可以看出中国的NO₂浓度增加了约20-50%，反之美国和西欧的NO₂浓度有明显降低，降幅约20-50%。

3.    然而中国的三大都市圈，北京、上海和珠三角，NO₂浓度却有约40%程度的降低。因此结合今年12月8日北京首次发布雾霾红色预警，要求中小学停课、建筑工地停工和机动车限行的措施，主持该项研究的NASA研究员Bryan Duncan说：“空气质量形态的这些变化不是随便发生的。当政府介入并且说我们要在这里建立什么或者要治理这种污染物，可以看到这些数据就会受到影响。” 

红色预警只是暂时的，不可能因此明显减少空气污染物年平均浓度。这位NASA研究员实际上是根据遥感图研究得到中国NO₂年平均浓度分布的变化和倾向的事实，肯定了中国政府和公众的努力，表达了中国空气污染有可能改善的期望。

 

但是有疑问：

城区NO₂的主要来源之一是汽车。所以2005到2014年间中国城市排放NO₂增加20-50%是可以理解的。当然废旧车辆，“黄标车”淘汰不力等有影响，但数量迅速增加是增加排放量的主要因素。和2005年相比，北上广都增加了大量汽车。所以很奇怪，北京、上海和珠三角凭什么NO₂平均浓度减少40%？同时，美国和西欧2005-2014年间汽车数量不会明显减少吧，采取了什么控制措施，能使NO₂浓度显著减少？

 下面各图，是从NASA网站下载了高分辨率图形后，进行剪裁处理后制成：

2005和2014年NO₂全球浓度分布图：

中国2005和2014年NO₂平均浓度分布，以及2014年浓度减去2005年浓度的比较：

这三张图的左侧是2005年浓度分布，中间是2014年浓度分布，右侧是2014年减去2005年浓度后的分布，因此是“变化”。下方标明的单位是10²⁵moleculor/cm²。是地面每平方厘米向上的空气柱内的NO₂分子数，难以和地面监测浓度比较。但可以看到： 

1、    我国华夏大片地区无论2005年还是2014年，对流层内NO₂污染都很严重，但难以进一步分辨红色区内部的浓度高低。（我曾放大图形，仍然不能分辨）

2、    重污染区域在东北哈尔滨-吉林-沈阳一线、华北大部、华中、华东到浙江北部，珠三角和成都-重庆一线。

3、    2005年和2014年NO₂污染分布图和NASA在2011年发布的PM_2.5在中国的浓度分布图（2001-2006平均）很相似。

4、    2014年NO₂污染比较2005年加重，污染范围增大。特别是根据右侧的“变化图”可见，2014年比较2005年污染明显加重的地域主要在华北：天津滨海新区向东北伸展到唐山和秦皇岛；太原和石家庄之间；滨州-德州-济南-聊城-邯郸-安阳附近；滕县-临沂一线；以及铜陵-马鞍山一线。

5、    然而对于三个主要都市圈：北京、上海和珠三角，NO₂污染程度却都有降低，珠三角降低范围大降低多，上海其次，北京最少。

 

观察和问题：

1.         2005年以来，中国各地机动车保有量在翻倍增加。到2013年底，北京汽车拥有量达到了537万辆，是2005年的一倍余。上海和广州都是270万辆（深圳291万辆），也大幅增加。汽车是NO₂的主要污染源，为什么这三个地区能显示NO₂浓度明显减低？

2.         右侧的“变化图”还说明，2005-2014年间NO₂污染加重的地方展示着区域性，但不是以大城市为中心的，即不是和机动车的增加地域十分相关的。倒是和近期逐步揭露出来的“煤电”、“钢铁”、“重化工”等污染企业的分布相关，为什么？

 

想法和解释： 

我认为NASA发布这些图的技术方面不应当有大问题，因此这些图形展示的污染分布和变化是可信的。为了解释上面的疑问，我们需要重新认识NO₂的主要污染源。

 

自2011年下半年以来，“灰霾”或“雾霾”污染成为公众关心的热点。专业人士则开展了相当多雾霾期间和日常PM_2.5采样和化学分析，进行“源解析”，查找导致污染的主要污染源。重要的一点是比较硫酸根和硝酸根。如果硝酸根较多，便认为机动车的贡献较大，这一点看来需要修正。

 

我2011年曾写博文引用环保部2010年发布的全国空气污染物排放的污染源数据，说明对于氮氧化物（NOx），“电力热力生产和供应”的排放已经超过机动车尾气，而且还有工业过程排放NOx实际上也和燃煤有关。但这是上报的统计数字，不很可靠。现在看来，燃煤和工业过程排放NOx可能超过机动车的排放量相当多！如果可以这样认识，就可以解释为什么北京、上海和珠三角三地十年间NO₂浓度有明显下降。

 

我国注重环保，注重空气污染治理并不太晚。因此取得了相当的成就：各地“降尘”，PM₁₀和SO₂地面浓度事实上都有明显改善。我曾收集环保部发布的2009年以前，许多城市的几乎全部日报API数据，制作曲线，出现改善趋向。见博文。（当前有时PM₁₀浓度很高是因为沙尘暴，或因为严重灰霾或雾霾造成）。主要策略是对中小型污染企业“关、停、转、并、移”，把污染企业搬到郊区搬到外地，再建立高烟囱，目标是降低大城市市区地面空气污染物浓度。按照绘制的各地API曲线，这一“战略”是成功的。但是，成功的部分局限于SO₂和烟尘，是直接从烟囱排放的烟气，或称“一次”污染物。然而在郊区或外地的污染企业并不注意脱硫，脱硝更是2012年之后才开始提起。这些“一次”排放的污染气体，SO₂和NO₂，可以在大气层内输送和反应，转换成PM_2.5（“二次”细颗粒物）。因此造成在对流层内NO₂的较高浓度，以及区域性的灰霾或雾霾污染。也因此北京雾霾时污染可以非常严重，但北风一刮，清除雾霾，地面、车身，几乎看不见“积尘”，又是碧蓝的天空！

 

这样也可以解释美国和西欧为什么10年里NO₂浓度会下降20-50%。也是因为减少了污染企业：经济下行和重污染企业搬迁到发展中国家。

 

补记： 

我虽然在空气污染方面工作，但偏污染气象，对于化学和化工是相当地外行。对于氮氧化物的产生机理，只有教科书上的知识。氮氧化物的产生主要是三种机制：（1）杂质：煤和油都可能含有微量氮，燃烧时氧化放出。（2）高温燃烧：化石燃料燃烧都用空气为氧化剂，高温（1200度左右及更高），空气中氮气和氧气会迅速加大反应速率产生氮氧化物。（3）催化反应：如果有碳氢的活化基团存在，空气里的氧和氮也能迅速反应产生氮氧化物。第（3）个机制可能和机动车产生NOx有大关系。

 

但是，要根治“雾霾”非常困难。因为脱硫脱硝不仅有技术问题，更有经济和社会问题。企业之间的恶性竞争导致非法排污，知法犯法。虽然环保部督查组近期发布了不少查获案例的消息，但有新闻说有些企业（甚至政府），在已经知晓督察组即将来到的情况下还敢于我行我素。所以为了根治雾霾，应当深入具体地分析脱硫脱硝涉及的技术、经济和社会等各方面问题，寻求解决办法，严格实施。

 

本文并不为机动车尾气的污染责任开脱，而且认为机动车尾气是对人体健康的首要凶手。机动车的发动机是内燃机，因为其工作原理，难免相当高程度的不完全燃烧，因此产生大量一氧化碳和烃类物质，以及碳黑。因为高温和催化，也产生大量氮氧化物。虽然和驾驶员行驶习惯有一定关系，尾气污染的控制，主要由安装在排气系统里的“三相催化转换器”实施，因此主要是汽车生产和销售商的责任。油品问题和添加剂主要对人体健康有重要影响，因为机动车和我们日常生活接近，不论是否有雾霾。但如果油品或添加剂问题会导致NO₂或SO₂的超量排放，专设的近路边空气质量监测仪器应当可以测出，如北京有五个站：南三环、前门、永定门、西直门和东四环。

 

 

 

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