危险的空气污染是如何让美国窒息的

2020年9月，俄勒冈州的天空变成了深红色，因为数十场野火烧焦了喀斯喀特山脉的森林。在短短三天内，大火吞没了近4000平方公里，比俄勒冈州过去36年燃烧面积的总和还要多。

两周以来，刺鼻的空气将居民困在家中。俄勒冈州卫生局记录，2020年9月，医院急诊科与呼吸相关的就诊次数比前一个月增加了38%。位于科瓦利斯的俄勒冈州立大学(Oregon State University)研究全球最严重空气污染对健康影响的佩里•海斯塔德(Perry Hystad)表示，这是“我所经历过的空气污染最严重的两周，包括印度、中国和孟加拉国。”

空气质量指数(AQI)是衡量颗粒物污染(PM)、臭氧、一氧化碳、二氧化硫和二氧化氮的一个明显迹象。美国的空气质量指数范围从0到500，超过300的数值被认为对每个人都有危险。9月中旬的两周，在华盛顿州、俄勒冈州和加利福尼亚州最严重的燃烧期间，AQI达到300以上。离火点最近的空气监测仪被关闭或损坏。最糟糕的一天，在俄勒冈州塞勒姆东南部，空气质量指数飙升超过了限值;根据俄勒冈州环境质量部门的推断，这一数字将达到642个。

西雅图华盛顿大学的大气化学家丹·贾菲(Dan Jaffe)说，在过去5年里，该地区“这样的空气质量指数是闻所未闻的”。细颗粒物污染达到了美国环境保护署(EPA)制定的国家环境空气质量标准(NAAQS)限值的4到11倍。它并没有停留在西方;污染一路蔓延到美国东海岸的新英格兰地区。

创纪录的野火是如何危害人类健康的

在过去的十年里，美国西部的空气质量明显恶化，这主要是由于随着气候变暖，野火越来越大，越来越频繁．2020年，美国有超过400万公顷的森林被烧毁，这是自1983年开始有全国记录以来的第二高水平。在2020年夏季，来自直径小于2.5微米的颗粒(PM_2.5)在美国境内¹．

世界各地的问题都在恶化。根据2月份的一份报告，到2030年，全球极端野火的数量预计将增加14%，到2050年底将增加30%²由联合国环境规划署提供。而暴露在全球范围内不断增加的环境细颗粒物中，估计每年导致多达1000万人死亡^3.．

美国西部的趋势尤为突出，因为它们标志着空气污染水平的急剧变化。该国拥有世界上最严格的一些环境法规，自20世纪70年代以来，该国在清洁天空方面取得了重大进展。《清洁空气法》等法规大幅降低了来自汽车、发电厂、工厂和其他来源的空气污染水平，包括铅、二氧化硫、二氧化氮、臭氧和细颗粒。但在过去十年里，由于气候变暖导致的惊人环境变化，空气质量的成功故事被淹没了。

除了引发森林火灾，气候变化还使该地区更容易受到干旱的影响，干旱会使土壤干燥，湖床暴露，导致空气中产生大量尘埃。加州和西南部各州的农业、交通和化石燃料开发产生的排放加剧了这一问题，这些排放导致了高浓度的地面臭氧和其他类型的污染。根据美国肺脏协会(American Lung Association)的数据，大约40%的美国人(超过1.37亿人，主要在西部)生活在颗粒污染或臭氧水平不健康的地方《2022年空气状况报告》．

变化是将数千万人置于危险之中不仅在西部各州，在全国都是如此。加州斯坦福大学地球系统科学家马歇尔·伯克说:“《清洁空气法》不是为今天的污染源而设计的。”在所有这些变化中，研究人员正在努力寻找解决西方有害空气的方法。

不好的气体

夜幕降临在新墨西哥州南部偏远的卡尔斯巴德洞穴国家公园，散落的灯光在漆黑的黑暗中闪烁。它看起来几乎像一个被照亮的城市，但这些火花实际上是在二叠纪盆地20万平方公里的石油钻井地点燃烧的数百个甲烷喷口，该盆地从新墨西哥州东南部延伸到德克萨斯州西部。石油公司发现，从石油生产中释放和燃烧甲烷比捕获甲烷更便宜。这些喷口还会喷出颗粒污染物和挥发性有机化合物，加剧了整个盆地的臭氧问题。

欢迎来到美国最繁忙的油田:二叠纪盆地占美国石油产量的40%以上。随着去年能源价格的飙升，它变得更加繁忙。该地区的石油产量预计将在11月创下历史新高，因为美国石油公司在过去一年大幅增加了钻探。这意味着石油生产产生的污染将大幅增加，包括强效温室气体甲烷，其中大部分逸入天空。

这对该地区的空气质量来说是个坏消息。例如，卡尔斯巴德洞穴国家公园的臭氧测量数据在2020年有9天超过了美国环保署的环境空气质量标准，去年有14天。美国环保署现在威胁要将二叠纪盆地列为臭氧不达标区，这意味着它不符合NAAQS标准。这可能会阻碍现有的石油和天然气业务，并推迟新的开发，即使全世界都在大声疾呼需要更多的化石燃料。

气候变化似乎加剧了整个西南部的问题，包括二叠纪盆地。该地区经历了长达22年的大干旱，现在也是如此现在比过去1200年的任何可比时期都要干燥．今年，加州经历了自一个世纪前有记录以来最干燥的1月、2月和3月。

干燥的天气加剧了空气污染。高温和降水减少导致犹他州的大盐湖和加利福尼亚州的索尔顿海等湖泊蒸发，使沉积物暴露在风蚀之下。在20世纪90年代到21世纪初，美国大型沙尘暴的数量增加了240%⁴．

气候趋势助长了爆炸性火灾行为。“野火是气候变化对空气质量影响的第一线，”位于华盛顿特区的美国肺脏协会(American Lung Association)负责公共政策的全国高级副总裁保罗·比林斯(Paul Billings)说。他说:“我们现在看到的有害、非常不健康的空气天数比我们做空气状况报告20多年来看到的还要多。”

在测量PM时，影响很明显_2.5-最小的颗粒物质。在西北地区衰落多年后，PM_2.5自2016年以来，读数一直在攀升(参见“烟雾弥漫”)。2020年的平均值为11.9 μ g m³略低于美国标准12µg m³美国环保局正在考虑收紧这一规定。这一平均值也远高于世界卫生组织(世卫组织)目前的指导方针，世卫组织降低了PM_2.5在2021年9月发布的指南中，建议摄入量不超过5微克³．该组织表示，这一改变旨在拯救数百万人的生命。

问题的根源

研究人员表示，旨在对抗空气污染的法律并没有解决野火和灰尘等日益重要的污染源。事实上，美国环保署对野火、沙尘暴和被认为是“自然”的类似事件中发生的空气污染增加提出了豁免。该机构2007年采用的“特殊事件规则”将此类事件发生的日子排除在监管机构的考虑范围之外。

自该规定生效以来，凤凰城所在的亚利桑那州马里科帕县已经利用特殊事件规则大幅减少了该县未能保持在PM污染限制以下的天数₁₀(直径小于10微米的颗粒)。例如，在2011年，马里科帕县申请了20项PM超标的例外₁₀仅7月份就有8起⁵．

凯蒂•克利福德(Katie Clifford)说，通过剔除被视为“自然例外”的异常值，监管数据集被扭曲了。她今年发表的一篇论文对这种做法提出了质疑⁵．“问题在于我们如何使用《清洁空气法》，”她说。克利福德是科罗拉多大学博尔德分校的人类地理学家，他补充说，它是为了应对违反规则引起的空气质量问题而建造的，因此删除数据会减少监管监督。

研究人员说，联邦政府或州政府不太可能选择通过更严格的法规来控制这些工业和农业污染源。但即使他们真的采取了规定，这些规定也不会对干旱、沙尘暴和野火有多大帮助。

这场竞赛旨在破解气候变化如何影响澳大利亚创纪录的火灾

“我们在加州做了很多工作来减少空气污染，但不幸的是，我们还没有取得进展，”斯坦福大学医学院(Stanford University School of Medicine)专注于环境暴露和健康的内科科学家卡莉·纳多(Kari Nadeau)说。而且情况肯定会变得更糟。

伯克说:“在整个西部，我们将有更高的平均烟雾水平，以及真正极端暴露的脉冲。”

一个积极的方面是，追踪空气污染变得越来越容易。纳多说:“现在工具越来越好了。这些设备包括低成本的个人空气质量监测器和轨道传感器。美国国家航空航天局计划发射两个专门用于空气质量监测的卫星仪器。2023年，一种名为TEMPO(对流层排放:污染监测)的传感器将对北美各地的灰尘和烟雾等气溶胶以及臭氧、二氧化氮和甲醛等污染物进行每小时跟踪。多角度气溶胶成像仪(MAIA)仪器将绘制各种类型的空气颗粒物，并使研究人员能够评估它们与健康问题的相关性，如不良出生结果和心血管和呼吸道疾病导致的过早死亡。

吸入的影响

空气污染对健康的影响可能很严重。在过去十年中，对野火烟雾的研究表明，接触野火烟雾与因呼吸系统疾病、哮喘恶化和慢性阻塞性肺病病例增加而去医院就诊的人数增加有关⁶．今年发表的一项研究对加拿大200万人进行了大约20年的跟踪调查，发现在过去10年里，与没有接触过野火的人相比，那些在离家50公里范围内接触过野火的人患肺癌的几率大约高出5%，患脑瘤的几率高出10%⁷．

空气污染往往对老年人、儿童、穷人和有潜在疾病的人等弱势群体影响最大。伯克和他的同事估计⁸增加了10µg m³在当地年平均PM_2.5在撒哈拉以南非洲地区，pm2.5的浓度导致婴儿死亡率增加9%_2.52015年，浓度高于最低暴露水平导致该地区新增44.9万名婴儿死亡。

在全球范围内，全球90%以上的儿童暴露于高浓度PM_2.5，导致2016年超过60万儿科死亡世界卫生组织2018年的报告．

尽管美国大多数大型景观火灾发生在西部，但烟雾的影响并不停留在那里。华盛顿特区乔治华盛顿大学的大气科学家凯特琳·奥戴尔说:“美国东部的烟雾，来自当地的火灾和西部的野火，导致了更多的死亡。”她和她的同事们发现，大约四分之三的死亡可归因于吸烟_2.5由于该地区人口密度高，美国的流感多发于东部⁹．

越来越多的证据表明，野火烟雾比传统的PM来源更危险_2.5．主要的假设是，今天的野火烟雾更频繁地受到现代房屋焚烧残留物的污染。纳多说:“烟不再仅仅来自树木。

虽然烟雾可以在全国各地传播，但灰尘和石油是PM的来源_2.5一般都在离家近的地方。农业活动可能在春季和秋季达到峰值，与种植和收获相一致，而臭氧值通常在夏季上升，这主要是由于阳光、温度和前体化合物排放的增加。研究人员正在发现灰尘对健康的其他影响，例如与传染病的潜在联系，比如山谷热．比林斯说:“人们有一种误解，认为灰尘是无害的污垢，而不是各种有毒物质、金属和粪便物质的传递机制。”

研究人员说，例如，需要对所有空气污染源对健康的累积影响进行评估，以制定新的政策，特别是针对那些无法避免接触空气的人，比如户外劳动者。今年1月，一项针对美国主要石油和天然气压裂区1500多万名医疗保险受益人的研究发现，住得离油井最近的人死亡风险高出2.5%，这一数值具有统计学意义¹⁰．另一项研究¹¹据估计，到2025年，仅石油和天然气行业就将造成970例与臭氧有关的过早死亡和1000例PM_2.5全国范围内的相关死亡，以及成千上万的医院就诊和超过100万例哮喘和急性呼吸道症状加重病例。

为了获得更好的数据，纳多启动了一个由美国国立卫生研究院资助的项目，研究颗粒物对所有年龄段心脏、肺和免疫系统的长期影响，重点关注弱势群体。

机会之窗

在抗击森林火灾的过程中，西部各州不仅要应对气候变化，还要应对自身的历史。在过去150年的大部分时间里，政府的政策强调扑灭所有火灾，这导致了森林中死木和易燃植被的大量积累。在过去的几十年里，森林管理者试图通过在一年中火灾失控几率较低的时候进行有控制的或规定的燃烧来减少燃料负荷。

但随着气候变化，这变得越来越困难。科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado at Boulder)的环境健康研究员科琳·里德(Colleen Reid)说:“我们安全地进行规定的火灾的机会已经大大减少了。”

森林大火后的毁灭性泥石流

有时这些窗户会突然关上。今年4月，新墨西哥州的一场规定的火灾失控地发展成一场大火，烧毁了超过13.7万公顷的土地。研究人员担心，这种灾难会降低公众对处方烧伤的兴趣，尽管此类事件很少发生。

位于阿尔伯克基的新墨西哥高地大学的火灾生态学家詹姆斯·比格斯说:“每年有成千上万的规定的安全烧伤。”这种可控的燃烧可以产生额外的好处，比如减少入侵物种的传播。

人们对规定烧伤的担忧变得如此强烈，以至于俄勒冈州东部的一名治安官今年逮捕了一名美国林务局员工，原因是他引发了一场燃料稀释火灾，据报道，这场火灾损坏了一些私人财产。即使存在这些紧张局势，各国仍在努力取得进展。2020年，加州与美国林务局签署了一份谅解备忘录，根据该备忘录，到2025年，每个实体每年都应该处理大约20万公顷的森林，主要是通过规定的焚烧或机械去除生物质。但他们远远落在了后面，部分原因是天气比正常情况更干燥。自2020年年中签署协议以来，该州已经用规定的火处理了近2.1万公顷土地。与此同时，美国林务局总共烧毁了大约3.2万公顷的土地，并机械地清除了6.8万公顷以上的生物质。

南加州大学洛杉矶分校的野火政策研究员丽贝卡·米勒(Rebecca Miller)说，许多因素正在减缓进展，包括责任担忧、资金和培训赤字，以及不得不处理大量小型私人土地所有者，这使大面积烧伤复杂化。

米勒说，另一个问题是各州如何计算碳排放。野火排放将使加州到2045年实现碳中和目标的努力复杂化。加州空气资源委员会(CARB)估计，2020年的野火季节产生了1.12亿吨二氧化碳排放。“CARB跟踪规定的火灾和野火的碳排放，并将继续使用这些信息，同时确定该州到2045年实现净零目标的进展情况，”加州碳排放委员会在萨克拉门托的公共信息官员艾米·麦克弗森说。

由于任何森林间伐或规定的火灾措施都需要几十年的时间，许多研究人员正在开发和测试在野火爆发时保护人们安全的方法。贾菲是第一个证实低成本家用空气净化设备——一个连接在箱式风扇上的过滤器——是高效的人之一。在2020年9月火灾最严重的时候，他在大量媒体采访中推广了这种方法，随后发表了这一设计。

在2020年俄勒冈州发生野火期间，海斯塔德亲自动手解决了问题。他关上了家里所有的窗户，关上了空调的通风口，让空气通过过滤器循环，并使用一个便携式高效空气过滤器来清洁室内空气。不过，室内PM_2.5浓度徘徊在200-300µg m的危险水平³．他说:“我最多能将室内浓度降低到室外浓度的50%左右。”

Hystad正在努力帮助学校做好火灾准备。他说:“其中很多都位于野火暴露率很高的地区，”许多人没有带过滤器的暖气或空调系统。他获得了资金，为学校提供了材料和diy课程，以便在吸烟活动期间建造自己的空气净化设备。他说，这是一种帮助准备区域的简单方法。“我认为人们没有意识到它会变得多糟糕，发生得有多快。”