空气污染监测及其在公共卫生中的作用

空气污染监测是空气质量管理的一个重要因素。需要建立长期监测站和短期季节性大气场测量，以了解大气化学变化是如何响应空气污染管制。Schwab教授及其来自奥尔巴尼大学的团队维持着长期的农村监测站和高度具体的移动空气污染测量，目的是利用其数据帮助宣传和改善空气质量监管政策，并改善公共卫生。

空气污染是由人类活动和自然过程造成的，是全球范围内导致死亡的主要风险因素。空气中含有过量的化学物质，如硫化合物、氮氧化物、挥发性有机化合物、臭氧和氯氟烃，或由主要来自燃烧或生物来源的极细颗粒组成的颗粒物，则被认为是受污染的。人们试图通过最佳实践、法规和政策来限制污染物排放到大气中。然而，空气污染每年仍导致世界各地数百万人死亡。根据世界卫生组织(World Health Organization)的数据，2016年，全球有400万人因接触细颗粒物而过早死亡。人口密集的城市，如墨西哥城、北京和德里，经常遭受雾霾的困扰，可以让居民在室内呆上几天。

空气污染对呼吸系统和心血管健康都有负面影响。它会导致呼吸困难和严重的呼吸道感染，加剧哮喘等肺部疾病，并可能导致肺癌。污染还会引发心脏病和中风等心血管问题。

奥尔巴尼大学大气科学研究中心的James Schwab教授和他的团队多年来一直在对气体和气溶胶(空气中的固体颗粒或液体)污染物进行测量。他们将长期、多年的测量数据与短期的现场部署数据结合起来。他们希望这些发现能够帮助空气污染法规的决策者改善公众的空气质量。

为什么是长期和短期?
大气和污染之间的关系是复杂的。污染水平受到当地天气状况以及当地和远方排放源的影响。在研究大气化学时，还必须考虑大气监测的位置。在同一天，城市和农村地点之间的大气条件将大不相同，而且往往根据天气和季节变化而迅速变化。这意味着建立长期的监测站是至关重要的，这些监测站拥有多年的数据来监测背景趋势，可以成功地与急性污染事件的短期季节性测量进行比较。

而监测空气污染则不然
一个简单的任务。空气质量由不同的污染物类型、排放源、天气变化、
季节性和位置。

Schwab教授和他的团队在两个地点维持长期的空气污染监测站:阿迪朗达克山脉的白脸山和尖峰州立公园，这两个地点都在纽约州。它们提供的空气质量记录可以追溯到30多年前。这为确定空气质量管理的变化和排放的减少是否对大气污染物浓度有显著影响提供了一个极好的数据集。为了对局部污染事件进行短期测量，该团队使用了一个流动实验室。它携带特定的实验室设备，可以测量气溶胶浓度和各种气体传感器。

成白脸山测量
白脸山是纽约州长期进行空气质量测量的理想地点。由于海风和人类活动的变化，城市地点和海岸的大气污染物往往在短时间内迅速变化。山区比较孤立，是长期监测大气化学的一些最佳地点。它们提供了污染物背景水平的历史记录，并使研究人员能够看到远距离排放源的影响。白脸山的监测站也经常在云的水平，让团队可以研究云水、降水和大气污染物之间的关系。

长期监测站旨在收集天气和大气污染物的信息。Schwab教授和他的团队收集关于温度和降水的信息，以及关于云和气溶胶的数据。白脸监测站全年监测臭氧、一氧化碳、二氧化硫和氮氧化物污染。硫和氮氧化物如果浓度过高，会使水蒸气酸化。该监测站还通过测量空气样本中的总悬浮粒子负荷来监测颗粒物。这是自1975年以来测量的，并提供了关于硫酸盐减少的关键信息，因为二氧化硫气体减少了。它还显示了水的酸度与区域排放的二氧化硫浓度之间的直接联系。

在云中处理污染物
云是一种独特的环境，因为它们同时存在水蒸气和液态水，驱动着影响当地环境的化学反应。云在气候系统中也至关重要，它控制着到达地球表面的太阳辐射的多少，而太阳辐射又反过来影响到地球的生态系统，一直到地面。科学家们仍在研究云层内部的复杂相互作用，以及它们如何与气溶胶化学物质相互作用，但像白脸山这样的山地监测站是了解这些过程的关键。

云的形成依赖于某些颗粒物质的存在。气溶胶形成云滴的核心，而云滴又能溶解其他有机化合物。这些物质经过进一步的化学反应，产生更大、更复杂的气溶胶。当云滴蒸发时，这些悬浮微粒仍然存在，影响人类健康和当地环境。

通过模拟云的过程，
科学家们可以理解，当云环境驱动化学反应时，大气污染物的本质是如何变化的。

2017年，该团队利用白脸山的一个移动实验室对云的物理和化学性质进行了短期监测，试图了解云对粒子组成的贡献。他们将流动实验室的数据与来自白脸山的大量数据记录进行了比较，以显示当时该地区的典型情况。研究收集的信息关于气溶胶的作用已经被用于改进模型用来模拟云流程在这方面美国的造型云过程,科学家可以了解大气污染物的性质可以改变为云环境驱动的化学反应。

对流层是大气的最低部分，从地面延伸到10公里。臭氧是一种强氧化剂，当吸入高浓度时会导致呼吸困难和肺损伤。它通常是光化学烟雾的关键成分，是对人类健康的一大威胁。臭氧是氮氧化物和有机化合物与阳光反应时形成的。这意味着臭氧的形成相当依赖天气，有利于低风速和高温的日子。

氮的氧化物和臭氧的生产之间的关系是众所周知的，并且随着氮的氧化物浓度的降低，臭氧的生产变得更有效率。利用从白脸山和尖峰州立公园采样站收集的长期记录，团队成员能够比较2000年至2017年每年夏季的臭氧生产效率。他们注意到，在这一时期，氮氧化物的含量有长期的下降，而正如预期的那样，臭氧生产效率有所提高。这是在非城市，相对干净的地区。研究结果表明，管理氮氧化物排放可能不再是限制农村地区臭氧生产的最佳方法。

Schwab教授和他的同事也参与了纽约市周围臭氧形成的调查。该小组是多机构合作的一部分，利用流动实验室、定点测量和卫星数据，在夏季测量大都市地区和下风位置的臭氧水平、氮氧化物和气溶胶浓度。海风使这里的臭氧循环更加复杂，臭氧水平经常超过国家环境空气质量标准(National Ambient Air Quality Standard)的安全标准。研究小组发现，该地区的臭氧是由多种来源产生的，包括纽约高速公路交通排放的氮氧化物，以及来自更远的美国西部和加拿大的野火烟雾产生的气态化合物和气溶胶。
大气污染的复杂性

监测空气污染不是一项简单的任务。空气质量是前体污染物化合物、排放源、天气、季节性和位置变化的复杂相互作用的结果，这使得理解和建模空气污染具有挑战性。维持长期高质量的大气采样监测站对于收集足够的背景水平信息以协助政策制定至关重要。只有结合长期和短期的测量，才能更深入地了解急性或季节性污染问题。空气污染法规取决于准确的测量和对以往政策如何影响空气污染水平的清楚了解。只有这样，政策制定者才能决定未来的最佳行动方案。