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美国国家航空航天局(NASA)新发布二氧化氮遥感图告诉了我们什么? 精选

已有 11194 次阅读 2015-12-20 09:31 |个人分类:灰霾|系统分类:科研笔记|关键词:NASA,遥感图,NO2,灰霾| nasa, 灰霾, 遥感图, NO2

1217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PM10SO2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20007月后改为PM10SO2NO22012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:PM2.5PM10O3COSO2NO2

 

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PM2.5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2014NO2平均浓度分布(2张),美国2005年和2014NO2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.    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128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20052014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:

20052014NO2全球浓度分布图:

中国20052014NO2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2014NO2污染分布图和NASA2011年发布的PM2.5在中国的浓度分布图2001-2006平均)很相似。

4、    2014NO2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。

 

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PM2.5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。

 

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”,PM10SO2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,SO2NO2,可以在大气层内输送和反应,转换成PM2.5(“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NO2SO2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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