長期以來，洛杉磯地區一直是美國空氣汙染最嚴重的區域之一，在過去十年裡，其空氣質量持續未能達到美國環境保護署（EPA）設定的標準。近日，加州理工學院（Caltech）的研究人員取得突破性進展，首次成功量化了霧霾中一種長期難以測量的關鍵成分——硝酸銨（ammonium nitrate）的含量。研究結果令人震驚：這種汙染物比此前計算的要多得多，尤其是在汙染最嚴重的日子裡。這一發現再次強調了持續減少汽車、卡車及其他工業過程中化石燃料排放的重要性，因為這些排放物正是硝酸銨的前體。
霧霾“隱形殺手”：硝酸銨含量遠超預期
這項研究由加州理工學院大氣化學與環境科學與工程系的保羅·溫伯格（Paul Wennberg）教授和理查德·弗拉根（Richard Flagan）教授的實驗室共同完成。研究團隊由前研究生（現哥倫比亞大學博士後）瑞安·X·沃德（Ryan X. Ward）領導，其成果於 5月21日發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上。
加州理工學院已故教授阿里·哈根-史密特（Arie Haagen-Smit）早在 1950 年代就首次將空氣汙染與汽車尾氣及其他工業燃料燃燒聯絡起來。自那時起，洛杉磯地區在治理導致霧霾的氣溶膠方面取得了顯著進展，例如禁止燃燒含硫燃料，並強制汽車使用催化轉化器清除尾氣中的氮氧化物（NOx）。然而，即便如此，在某些日子裡，霧霾仍將能見度限制在幾英里之內。
沃德表示：“在很多方面，我們正在重新審視加州理工學院自哈根-史密特時代以來在大氣化學領域數十年的工作。透過應用新技術來解決一個幾十年來的難題，我們看到洛杉磯的無機氣溶膠霧霾是多麼頑固。儘管氮氧化物排放量已大幅減少，我們仍需努力清除它。”
硝酸銨因其對溫度和壓力的敏感性，在取樣時容易蒸發，這使得傳統感測器難以準確測量其含量。2023 年，加州理工學院研究人員開始運營大氣科學與化學測量網路（ASCENT）在皮科裡韋拉（Pico Rivera）的站點。ASCENT 是一個由美國國家科學基金會（NSF）資助、佐治亞理工學院的吳雅莉（Nga Lee "Sally" Ng）博士（PhD '07）管理的全美空氣質量監測儀器網路，旨在持續監測空氣中的顆粒物，以獲取更完整的氣溶膠化學組成和物理性質變化圖景。值得注意的是，ASCENT 的儀器能夠有效記錄硝酸銨的存在。
形成機制複雜：氮氧化物減排仍是關鍵
沃德和他的合作者利用 ASCENT 測量了空氣中高含量的硝酸銨。這種化學物質是在氮氧化物（NOx）分子轉化為硝酸後形成的，硝酸在氨的存在下，會生成硝酸銨。儘管氮氧化物水平已經下降，但研究人員推測，一個涉及夜間臭氧水平增加的複雜化學過程，導致了硝酸銨持續保持高水平。這表明，要徹底解決霧霾問題，需要繼續減少硝酸銨形成的前體——氮氧化物的排放。
組成霧霾的氣溶膠可分為有機和無機兩類。有機氣溶膠因來源多樣而難以治理，但硝酸銨這類無機分子的來源——燃燒化石燃料產生的氮氧化物——則更直接且易於應對。因此，這項工作凸顯了推動汽車、卡車以及割草機等燃氣驅動裝置電動化，並利用能捕捉氣溶膠完整化學成分的感測器持續監測空氣質量的重要性。
溫伯格教授指出：“空氣質量指數（AQI）這類指標並不能告訴我們霧霾的組成成分，它是由什麼構成的。瞭解空氣中化學物質的構成對我們來說非常重要。既然我們現在明白了硝酸銨是一個主要組成部分，我們就可以制定具體的策略來減少它。”
這項研究成果為洛杉磯乃至全球其他受霧霾困擾的城市提供了新的治理思路。瞭解霧霾的具體化學成分，是制定更有針對性和有效治理策略的關鍵一步。