空污在哪裡？科學家化身污染物偵探，統統收進排放清冊
陽光、空氣和水是生命三大要素，空氣品質在工業快速發展過程，逐漸受世界各國重視。空氣污染的懸浮微粒（particulate matter，PM）由國際癌症研究署（International Agency for Research on Cancer，IARC）列為第一級致癌物。人體長期暴露於高污染環境，可能增加肺癌風險。空污從哪來？如何追蹤污染流向？「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光，看科學家如何捕捉空氣污染物的行蹤。
到底有哪些污染呢？每三年進化一次的「空氣污染排放清冊」
如果要瞭解並管制空氣污染，必須先知道：到底是什麼污染空氣？
每隔三年，環境保護署會公布最新的「空氣污染物排放量清冊」（Taiwan Emission Data System，TEDS），收錄全國各種來源的空氣污染物排放，而中研院環變中心的空氣品質專題中心任務之一，就是持續發展新的技術，獨立驗證這個排放清冊，進而提供環保署做為改善的基礎。
▲ 空氣污染排放清冊將排放量數據分為四大類。（Source：空氣品質改善維護資訊網）
周崇光提到，空氣污染源在排放清冊分為「點源」、「線源」、「面源」和「生物源」，這四類來源的監測、管制辦法都不同。
點源，例如工廠的煙囪、通風口等；線源，如道路交通工具的機車、汽車等；面源則像是火災、農業活動、河川揚塵、大陸沙塵暴等一整面的污染源；生物源，是指植物排放的揮發性有機物，如大家很喜歡的芬多精，其實是反應性非常強的一大群化學物質，很容易發生化學反應並衍生臭氧或懸浮微粒。
空氣污染排放了多少？量測與推估大不同
以點源為例，若我們想知道點源的污染排放量，最精準可靠的方式就是「直接量」。如研究人員可直接在火力發電廠的煙囪裝設偵測器，長期或定期監測氮氧化物排放量，取得最準確的排放量數據。
可惜的是，許多污染物的排放量沒辦法用儀器直接測，例如火力發電廠的煙囪，明明二氧化硫、氮氧化物都可直接測，卻無法準確測得細懸浮微粒（粒徑小於或等於 2.5µm 的懸浮微粒，又稱 PM2.5） 的數據。
周崇光說，電廠煙囪內部環境相當嚴苛，水氣高、溫度也高，礙於當前儀器的技術， PM2.5 的偵測器非常難以在高達超過 100°C 的煙囪穩定運作，造成 PM2.5 監測資料不足。
倘若沒辦法直接監測，周崇光提到，研究人員可以算出「排放係數」，藉此推估多少的原料會產生多少的污染物，例如燃燒 1 公噸煤，會產生多少公斤懸浮微粒。再退而求其次，可透過「質量平衡法」，以揮發性有機污染物為例，利用製程或化學反應式計算反應物的質量、能量進出，推估出污染物的大致排放量。
從直接的監測資料到質量平衡法，依照排放量的可靠度列為 A 級至 D 級，並將排放來源不明確的資料列為 U 級。
▲ 空氣污染排放清冊除了將排放分為點源、線源、面源和生物源，又可照數據可靠度，細分為 A、B、C、D、U 五類，A 數據可靠度最高，B 次之，以此類推。上為台灣空氣污染物排放量清冊（TEDS）第 11 版的點源排放量分布。
上圖第 11 版台灣空氣污染物排放數據，屬於點源的總懸浮微粒（TSP）僅極少資料是直接且連續監測數據，43% 左右數據來自定期管道檢測、56% 來自質量平衡法推估。
由此可知，總懸浮微粒的數據有一定誤差，相對硫氧化物（SOx）有三分之一數據來自直接量測，較為精準。
從排放量的計算和推估，可看得出礙於技術和環境條件，空氣污染排放清冊有不小誤差。因此科學家不斷致力改善儀器，或用其他可靠方式驗證這些排放量資料。
用衛星捕捉空氣污染物行蹤
空品專題中心的「台灣中西部空氣污染之診斷與歸因研究」，為中央研究院 110 年度的關鍵突破研究計畫之一，在周崇光的帶領下，團隊致力破解中西部的空污謎題。此計畫中的其中一項子計畫，即是透過人造衛星的遙測技術，來協助驗證排放量和推估關鍵污染源。
▲ 衛星數據為 2021 年台灣上空的二氧化氮（NO2）年平均柱密度（column density），表示單位面積懸浮在台灣上空的 NO2 總量。
研究團隊使用歐洲太空總署（ESA）發射的哨兵 5 號衛星的儀器，藉由分子光譜的特徵描繪出二氧化氮在台灣的空間分布。
過往衛星對這些污染物的解析度僅有 20 x 20 公里左右，在這樣的解析度下，根本難以確認如火力發電廠般污染源的影響程度，但哨兵 5 號上的大氣觀測儀器（The TROPOspheric Monitoring Instrument，簡稱為 TROPOMI） 已經可以做到 7×3.5 公里的高解析圖像，讓研究人員得以大致推估出這些關鍵污染源的影響力。
由於衛星是從太空望向地球，因此單靠分析分子光譜只能獲得垂直的、像是柱子一樣的濃度數據，研究人員必須透過大氣方程式並考量化學反應的狀況「回推」，一個一個網格計算出二氧化氮的分布。
▲ 歐洲太空總署的哨兵 5 號衛星與下方展開的大氣觀測儀器 TROPOMI。（Source：ESA/ATG medialab）
排放清冊的排放量，是研究人員到各個污染源收資料、整理工廠申報資料，全部加總後，再算出空污排放量，是一種像是金字塔般的「bottom-up」（由下而上）做法。
而人造衛星與「到處收資料」的方式不同，衛星觀測是一種「top-down」（從上到下）做法，先從觀測了解某處增加了多少空氣污染物，再想辦法去回推污染源和各地參數的互動關係。
結合「top-down」和「bottom-up」，科學家可以將兩者相互搭配並驗證資料，確認空氣污染物的排放量與傳播途徑。
周崇光提到，以工業區或港口碼頭為例，柴油貨車每年進出的次數高達數萬趟，排放出大量的交通廢氣，但礙於技術，目前仍然沒有辦法精準定量這些污染並申報給環保署，推估排放量和真實污染量之間可能存在很大的誤差。因此，若能搭配人造衛星這種獨立且不受影響的偵測技術，就能夠更公正、更準確的驗證排放資料是否有誤。
讓特務 F 混入電廠的煙囪，跟著污染大軍隨風飄
除了檢視排放量，了解空氣污染物「怎麼飛」，也是非常重要的課題。
為了找出空氣污染物的傳輸路徑，周崇光帶領的團隊曾經在 2018 年的時候和德國布萊梅大學的 EMeRGe-Asia 團隊合作，透過研究飛機「HALO」和特殊追蹤劑，調查台中火力發電廠污染物的傳播途徑。
在一般的大氣環境中，即使研究人員確定了某地點的污染物濃度非常高，他們也很難判斷當地污染物的來源，到底是來自隔壁 A 工廠？還是從 B 電廠飄過來？
再來，其實研究人員也很難隨時掌握空氣污染源的流向，例如火力發電廠煙囪排出的污染物到底飄去哪裡了？
因此，在這次的跨國合作中，研究團隊使用了「全氟甲基環己烷」（Perfluoromethylcyclohexane，PMCH） 當作「追蹤劑」，就像是空氣污染物中的特務 F，被放入台中火力發電廠的煙囪中，隨著煙囪中的空氣污染物一起被噴向天空、隨風飄散。
由於 PMCH 無論在自然環境或是工業污染中均相當少見，環境的背景濃度非常低，加上全氟化合物有不容易和其它物質反應的化學惰性，又可以在實驗室進行極低濃度偵測，因此非常適合當追蹤劑。
當時研究團隊在台中火力發電廠的煙囪中投入了 10 公斤的 PMCH 後，分別以研究飛機和地面採樣站進行觀測，並跟著煙流的可能路徑針對不同的污染物進行採樣，調查中火污染煙流的傳輸路徑。
▲ 德國航太中心的大氣研究飛機「HALO」（High Altitude and LOng Range Research Aircraft）。（Source：Flickr/DLR German Aerospace Center CC BY 2.0）
研究結果發現：當東北季風盛行時，由台中火力發電廠煙囪排出的空氣污染物主要會向南飄散，空氣樣品中 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度同步的變化（見下圖），證實了大氣模式所描繪的污染路徑。
但可惜的是，這種研究方法只能當作一種「逼不得已的手段」，畢竟任何特殊的化學品都可以被視為一種污染，尤其全氟化合物吸收紅外線的能力非常強，是屬於國際公約列出的主要溫室氣體之一，因此只能在非常必要的時刻下使用。
周崇光表示，台中火力發電廠的煙囪高達 250 公尺，加上排氣的動能和熱浮力，空氣污染物可以很快地上升到 500 公尺，甚至更高的空中，然後隨著大氣環流擴散和稀釋，傳統的高煙囪策略就是以此降低工業污染對鄰近地區空氣品質的衝擊。
然而在這次的調查中，研究團隊卻發現，台灣附近的大氣環流非常不利於污染物擴散，以致於上午排出的污染物到下午還滯留在中南部的空中，許多原本預期會向外飄散的污染物最終仍然下沉，並對中南部的空氣品質造成衝擊。這次的實驗結果讓周崇光團隊獲得啟發，更加投入對台灣邊界層環流的調查研究。
同時周崇光也強調，中研院空品專題中心非常感謝台中火力發電廠協助這次的實驗，這個空污滯留現象是整個西南部區域的大氣特性，只是在這次研究藉由台中火力發電廠案例表現出來。這表示台灣西南部的大氣條件不利擴散，使得我們面對空氣污染的衝擊格外地脆弱。
▲ 2018 年周崇光團隊和 EMeRGe-Asia 團隊合作，使用研究飛機和追蹤劑 PMCH，調查台中火力發電廠污染煙流的傳輸路徑，圖中可看到 PMCH 從台中擴散到整個中南部的濃度趨勢，地點 1 為布袋附近，地點 2 為北港附近。從地點 2 的污染物數據，可看到 PMCH 、氮氧化物、二氧化碳和一氧化碳濃度有相同的變化趨勢。
以上，中研院空品專題中心致力解決台灣空氣污染防制的瓶頸，首要第一步就是持續驗證空氣污染物排放清單。由於技術和環境限制，排放清單資料有一定誤差；因此需要透過衛星觀測做交叉檢驗，確認污染物的排放量與傳播途徑。有了排放清單的基礎之後，下一步就是研究造成台灣西南部空氣擴散不佳的根本原因，以及深入探討都市區空污的主角「衍生型 PM2.5」。
（作者：陳儀珈；本文由 研之有物 授權轉載；首圖來源：shutterstock）