阳光、空气和水是生命三大要素，空气品质在工业快速发展过程，逐渐受世界各国重视。空气污染的悬浮微粒（particulate matter，PM）由国际癌症研究局（International Agency for Research on Cancer，IARC）列为第一级致癌物。人体长期暴露于高污染环境，可能增加肺癌风险。空气污染从哪来？如何关注污染流向？“研之有物”专访院内环境变迁研究中心研究员兼空气品质专题中心首席执行官周崇光，看科学家如何捕捉空气污染物的行踪。
到底有哪些污染呢？每三年进化一次的“空气污染排放清册”
如果要了解并管制空气污染，必须先知道：到底是什么污染空气？
每隔三年，环境保护局会公布最新的“空气污染物排放量清册”（Taiwan Emission Data System，TEDS），收录台湾各种来源的空气污染物排放，而中研院环变中心的空气品质专题中心任务之一，就是持续发展新的技术，独立验证这个排放清册，进而提供环保局作为改善的基础。
空气污染排放清册将排放量数据分为四大类。（Source：空气品质改善维护资讯网）
周崇光提到，空气污染源在排放清册分为“点源”、“线源”、“面源”和“生物源”，这四类来源的监测、管制办法都不同。
点源，例如工厂的烟囱、通风口等；线源，如道路交通工具的机车、汽车等；面源则像是火灾、农业活动、河川扬尘、大陆沙尘暴等一整面的污染源；生物源，是指植物排放的挥发性有机物，如大家很喜欢的芬多精，其实是反应性非常强的一大群化学物质，很容易发生化学反应并衍生臭氧或悬浮微粒。
空气污染排放了多少？测量与推测估计大不同
以点源为例，若我们想知道点源的污染排放量，最精准可靠的方式就是“直接量”。如研究人员可直接在火力发电厂的烟囱装设侦测器，长期或定期监测氮氧化物排放量，取得最准确的排放量数据。
可惜的是，许多污染物的排放量没办法用仪器直接测，例如火力发电厂的烟囱，明明二氧化硫、氮氧化物都可直接测，却无法准确测得细悬浮微粒（粒径小于或等于2.5µm的悬浮微粒，又称PM2.5） 的数据。
周崇光说，电厂烟囱内部环境相当严苛，水气高、温度也高，碍于当前仪器的技术， PM2.5的侦测器非常难以在高达超过100°C的烟囱稳定运行，造成PM2.5监测资料不足。
倘若没办法直接监测，周崇光提到，研究人员可以算出“排放系数”，借此推测估计多少的原料会产生多少的污染物，例如燃烧1吨煤，会产生多少公斤悬浮微粒。再退而求其次，可通过“质量平衡法”，以挥发性有机污染物为例，利用制程或化学反应式计算反应物的质量、能量进出，推测估计出污染物的大致排放量。
从直接的监测资料到质量平衡法，依照排放量的可靠度列为A级至D级，并将排放来源不明确的资料列为U级。
空气污染排放清册除了将排放分为点源、线源、面源和生物源，又可照数据可靠度，细分为A、B、C、D、U五类，A数据可靠度最高，B次之，以此类推。上为台湾空气污染物排放量清册（TEDS）第11版的点源排放量分布。
上图第11版台湾空气污染物排放数据，属于点源的总悬浮微粒（TSP）仅极少资料是直接且连续监测数据，43%左右数据来自定期渠道检测、56%来自质量平衡法推测估计。
由此可知，总悬浮微粒的数据有一定误差，相对硫氧化物（SOx）有三分之一数据来自直接测量，较为精准。
从排放量的计算和推测估计，可看得出碍于技术和环境条件，空气污染排放清册有不小误差。因此科学家不断致力改善仪器，或用其他可靠方式验证这些排放量资料。
用卫星捕捉空气污染物行踪
空品专题中心的“台湾中西部空气污染之诊断与归因研究”，为中央研究院110年度的关键突破研究计划之一，在周崇光的带领下，团队致力破解中西部的空气污染谜题。此计划中的其中一项子计划，即是通过人造卫星的遥测技术，来协助验证排放量和推测估计关键污染源。
卫星数据为2021年台湾上空的二氧化氮（NO2）年平均柱密度（column density），表示单位面积悬浮在台湾上空的NO2总量。
研究团队使用欧洲太空总局（ESA）发射的哨兵5号卫星的仪器，借由分子光谱的特征描绘出二氧化氮在台湾的空间分布。
以往卫星对这些污染物的分辨率仅有20 x 20公里左右，在这样的分辨率下，根本难以确认如火力发电厂般污染源的影响程度，但哨兵5号上的大气观测仪器（The TROPOspheric Monitoring Instrument，简称为TROPOMI） 已经可以做到7×3.5公里的高解析图像，让研究人员得以大致推测估计出这些关键污染源的影响力。
由于卫星是从太空望向地球，因此单靠分析分子光谱只能获得垂直的、像是柱子一样的浓度数据，研究人员必须通过大气方程式并考量化学反应的状况“回推”，一个一个网格计算出二氧化氮的分布。
欧洲太空总局的哨兵5号卫星与下方展开的大气观测仪器TROPOMI。（Source：ESA/ATG medialab）
排放清册的排放量，是研究人员到各个污染源收资料、整理工厂申报资料，全部加总后，再算出空气污染排放量，是一种像是金字塔般的“bottom-up”（由下而上）做法。
而人造卫星与“到处收资料”的方式不同，卫星观测是一种“top-down”（从上到下）做法，先从观测了解某处增加了多少空气污染物，再想办法去回推污染源和各地参数的互动关系。
结合“top-down”和“bottom-up”，科学家可以将两者相互搭配并验证资料，确认空气污染物的排放量与传播途径。
周崇光提到，以工业区或港口码头为例，柴油货车每年进出的次数高达数万趟，排放出大量的交通废气，但碍于技术，目前仍然没有办法精准定量这些污染并申报给环保局，推测估计排放量和真实污染量之间可能存在很大的误差。因此，若能搭配人造卫星这种独立且不受影响的侦测技术，就能够更公正、更准确的验证排放资料是否有误。
让特务F混入电厂的烟囱，跟着污染大军随风飘
除了查看排放量，了解空气污染物“怎么飞”，也是非常重要的课题。
为了找出空气污染物的传输路径，周崇光带领的团队曾经在2018年的时候和德国布莱梅大学的EMeRGe-Asia团队合作，通过研究飞机“HALO”和特殊关注剂，调查台中火力发电厂污染物的传播途径。
在一般的大气环境中，即使研究人员确定了某地点的污染物浓度非常高，他们也很难判断当地污染物的来源，到底是来自隔壁A工厂？还是从B电厂飘过来？
再来，其实研究人员也很难随时掌握空气污染源的流向，例如火力发电厂烟囱排出的污染物到底飘去哪里了？
因此，在这次的跨国合作中，研究团队使用了“全氟甲基环己烷”（Perfluoromethylcyclohexane，PMCH） 当作“关注剂”，就像是空气污染物中的特务F，被放入台中火力发电厂的烟囱中，随着烟囱中的空气污染物一起被喷向天空、随风飘散。
由于PMCH无论在自然环境或是工业污染中均相当少见，环境的背景浓度非常低，加上全氟化合物有不容易和其它物质反应的化学惰性，又可以在实验室进行极低浓度侦测，因此非常适合当关注剂。
当时研究团队在台中火力发电厂的烟囱中投入了10公斤的PMCH后，分别以研究飞机和地面采样站进行观测，并跟着烟流的可能路径针对不同的污染物进行采样，调查中火污染烟流的传输路径。
德国航天中心的大气研究飞机“HALO”（High Altitude and LOng Range Research Aircraft）。（Source：Flickr/DLR German Aerospace CenterCC BY 2.0）
研究结果发现：当东北季风盛行时，由台中火力发电厂烟囱排出的空气污染物主要会向南飘散，空气样品中PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳浓度同步的变化（见下图），证实了大气模式所描绘的污染路径。
但可惜的是，这种研究方法只能当作一种“逼不得已的手段”，毕竟任何特殊的化学品都可以被视为一种污染，尤其全氟化合物吸收红外线的能力非常强，是属于国际公约列出的主要温室气体之一，因此只能在非常必要的时刻下使用。
周崇光表示，台中火力发电厂的烟囱高达250米，加上排气的动能和热浮力，空气污染物可以很快地上升到500米，甚至更高的空中，然后随着大气环流扩散和稀释，传统的高烟囱策略就是以此降低工业污染对邻近地区空气品质的冲击。
然而在这次的调查中，研究团队却发现，台湾附近的大气环流非常不利于污染物扩散，以致于上午排出的污染物到下午还滞留在中南部的空中，许多原本预期会向外飘散的污染物最终仍然下沉，并对中南部的空气品质造成冲击。这次的实验结果让周崇光团队获得启发，更加投入对台湾边界层环流的调查研究。
同时周崇光也强调，中研院空品专题中心非常感谢台中火力发电厂协助这次的实验，这个空气污染滞留现象是整个西南部区域的大气特性，只是在这次研究借由台中火力发电厂案例表现出来。这表示台湾西南部的大气条件不利扩散，使得我们面对空气污染的冲击格外地脆弱。
2018年周崇光团队和EMeRGe-Asia团队合作，使用研究飞机和关注剂PMCH，调查台中火力发电厂污染烟流的传输路径，图中可看到PMCH从台中扩散到整个中南部的浓度趋势，地点1为布袋附近，地点2为北港附近。从地点2的污染物数据，可看到PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳浓度有相同的变化趋势。
以上，中研院空品专题中心致力解决台湾空气污染防制的瓶颈，首要第一步就是持续验证空气污染物排放清单。由于技术和环境限制，排放清单资料有一定误差；因此需要通过卫星观测做交叉检验，确认污染物的排放量与传播途径。有了排放清单的基础之后，下一步就是研究造成台湾西南部空气扩散不佳的根本原因，以及深入探讨都市区空气污染的主角“衍生型PM2.5”。
（首图来源：shutterstock）