从22000英里高空，这颗卫星几乎实时追踪空气中的健康威胁

8月初，东风将山火的烟羽和气体吹入城市上空，俄勒冈州波特兰的天空染上了越来越熟悉的深褐色。波特兰的空气质量一度被评为全球最差，夏令营和公共泳池被迫关闭，户外音乐会被取消。在这个酷热与山火交织的夏天，北美多座城市——纽约、丹佛、芝加哥、托莱多——都上演了类似的场景。

在这一切之上，一颗卫星记录下了助长这些空气质量危机的气体与颗粒物的动态涡旋。自2025年9月起，对流层排放：污染监测（TEMPO）卫星从赤道上空22000英里处，近乎实时地提供北美白天大气中污染物的逐小时快照，追踪其生成、迁移与消散。这颗卫星由NASA与史密森天体物理台联合研制。

此前的污染监测卫星每天只能提供一两次空气质量快照，而TEMPO持续提供的大陆尺度图像，帮助研究人员和监管机构更好地理解并应对大气中最难以预测、最难以控制的污染物。

TEMPO揭示出，污染和天气一样并非静止不变。“污染每小时、每天都在变化，”位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心研究科学家Laura Judd说。“TEMPO带给我们的，就是这种我们称之为‘化学天气’的图景。”

TEMPO卫星直观呈现了附近山火产生的二氧化氮（NO2）如何导致俄勒冈州波特兰在2026年8月出现全球最差空气质量。访问TEMPO Lite网站即可查询全美各地的空气质量数据。

TEMPO LITE/COSMIC DS/NASA SVS*

自1970年《清洁空气法》通过以来，美国在降低人们呼吸的六种常见有害空气污染物水平方面取得了巨大进展。但在减少其中两种污染物——臭氧和直径小于2.5微米的颗粒物（PM2.5）——方面，过去约15年的进展已经停滞。两者都是二次污染物，由大气中的化学反应生成，受阳光、温度和其他变量影响。

二次污染物的化学过程复杂，其前体又来自机场、农业和野火等分散源，因此格外难以理解和控制。它们仍是美国空气污染每年造成的估计10万例过早死亡、1万例早产和20万例儿童哮喘的主要推手。正如2023年发表于《药理学与毒理学年度综述》的一篇论文所总结的，越来越多的证据表明，空气污染可能促成精神分裂症等神经发育疾病以及阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病。

TEMPO能够追踪二次污染物在一天中如何生成，这为降低上述数字提供了广泛的可能。州和地方政府可以用TEMPO识别并削减前体，从而更好地达到联邦空气质量标准。科学家可以建立二次污染物的预报模型，更及时地发布危险空气质量预警。公共卫生研究人员则能获得更精确的信息，了解二次污染物在何时何地影响人类健康，为污染控制措施提供依据。

TEMPO通过一台光谱仪收集数据，测量大气对紫外线和可见光的吸收特征，据此推算二氧化氮（NO2）、甲醛、气溶胶和地面臭氧的估计浓度，分辨率约为4平方英里。美国环境保护署的地面监测系统提供高质量数据，但只覆盖美国3000多个县中的约三分之一，TEMPO填补了其中的空白。

“这会改变游戏规则，”威斯康星大学麦迪逊分校的大气科学家Tracey Holloway说。她领导NASA健康与空气质量应用科学团队，也是一篇关于卫星空气质量监测的2021年《Annual Review of Biomedical Data Science》论文的共同作者。“它真的会改变我们对谁在呼吸什么的认知。”

哪里有烟

今年夏天，在整个北美，这个“什么”往往是野火烟雾。尤其是在美国西部，空气质量管理部门常年要应对毁灭性野火带来的巨大影响。一项研究发现，2020年夏末和初秋，美国本土上空的PM2.5有23%来自当年创纪录的野火。其结果是，EPA的《国家环境空气质量标准》（NAAQS）被超标3,720次。NAAQS是针对六种关键污染物设定的限值。

TEMPO正在帮助研究人员证明，来自远处火灾的野火烟雾究竟如何把二次污染物的前体物带到数百甚至数千英里之外，这有助于空气质量管理者判断：一次污染峰值是该由本地污染源负责，还是不该由它们负责。

“在烟羽中，总会有大团大团的甲醛，”马里兰州College Park的NOAA卫星应用与研究中心研究物理科学家Shobha Kondragunta说。这是因为，在阳光存在下，挥发性有机物会分解形成这种化学物质。甲醛随后与大气中的氮氧化物反应，生成臭氧和PM2.5。TEMPO同时追踪这两种前体物。

这颗卫星还能让研究人员估算烟羽高度，这有助于他们判断有多少阳光穿透雾霾，并驱动人们呼吸的地面空气中臭氧的形成。

TEMPO每小时提供的高分辨率数据，也让空气管理机构更容易获得所需的记录，以追踪野火烟雾对空气质量的贡献，尤其是远距离贡献。这将帮助它们避免实施不必要的限制。

“我们不希望因为野火烟雾或沙尘暴事件就宣布某个地区未达标，这些问题州政府永远无法解决。”西部各州空气资源委员会执行主任Mary Uhl表示。该委员会是15个西部州空气机构组成的合作组织。

康涅狄格州能源与环境保护部驻哈特福德的空气污染控制工程师Amanda Fritz表示，今年夏天，来自数百英里外加拿大的野火烟羽促成了该州截至7月4日经历的13次臭氧超标中的多次——但并非全部。这是该地区最早达到这一令人警惕的里程碑。臭氧在康涅狄格州一直是个问题，因为烟雾会从纽约市向东北方向飘来。即使少量烟雾也能贡献刚好足够的额外前体物，导致臭氧超标。

有了TEMPO，我们可以确定“臭氧在哪里产生”，亚特兰大佐治亚理工学院的空气质量研究员Jennifer Kaiser说。“我们以前从未从卫星上测量过近地面臭氧。”她补充道。这些信息可以指向臭氧前体物的关键本地来源，监管机构随后便可针对这些来源采取措施。

本地来源

TEMPO已经帮助马里兰州的空气质量管理者了解本地因素如何结合形成不健康的空气，并使他们的辖区无法达到空气质量标准。2022年，马里兰州首次达到了所有NAAQS。但今年，该州到8月已有十个臭氧超标日。

鉴于该州成功的不稳定性，马里兰州环境部的空气质量气象学家Joel Dreessen利用TEMPO确定臭氧团来自哪里。由于高温会加剧臭氧形成，Dreessen和同事比较了炎热早晨有臭氧峰值和无臭氧峰值时TEMPO的NO2数据。他说，他们发现NO2是本地臭氧形成的关键决定因素，其来源是工业区和交通繁忙的95号州际公路走廊。

2025 年，马里兰州的空气质量管理人员借助 TEMPO 探究：为什么有些炎热晴朗的日子会出现令人担忧的臭氧水平，有些却不会。对比早晨二氧化氮（臭氧的前体物）浓度的差异，答案浮现出来。高臭氧日的 NO2 浓度明显更高（蓝色），说明切萨皮克地区的臭氧峰值既受 95 号州际公路走廊的交通影响，也受工业排放影响。 James Boyle

有了这些信息，Dreessen 能更好地预报高臭氧事件，监管者和政策制定者也能据此找出政策方案。他说，TEMPO 的逐小时观测是理解以下过程的关键：早晨困在地面附近的较冷空气积聚出一团臭氧前体物，随后随当天的风飘过整个地区。“我们真的能看到一天之内事物如何不断变化，”他说。

建立关联

这种观察事物演变过程的能力，在墨西哥城弥足珍贵。这座城市是北美人口最多的城市，坐落在天然会把空气污染物困在地面附近的山谷中。纽约市西奈山伊坎医学院环境医学讲师 Iván Gutiérrez-Avila 发现，TEMPO 测得的 NO2 浓度在这片庞大城区的早高峰时段达到峰值。在 TEMPO 之前，可获取的最佳卫星 NO2 估算每天只提供一次读数，时间在午后早些时候。

“如果我们使用的信息与暴露关系并非最相关，就会漏掉流行病学健康模型所需的重要细节，”Gutiérrez-Avila 在西奈山的同事、罗德岛州布朗大学环境流行病学家 Allan Just 说。

此外，Gutiérrez-Avila 和 Just 已经证明，NO2 峰值期间急诊就诊量会上升，这为官员提供了可据以行动的信息，揭示暴露与健康影响之间的联系。“社区需要有能力做决定：足球比赛要不要取消，课间休息要不要改在室内，还是告诉人们在户外采取防护措施？”Just 说。

明智地做出这些决策可以挽救生命。在墨西哥，据估计大约每17例死亡中就有1例由室外空气污染造成。在美国，空气污染导致的死亡和疾病每年造成的经济影响估计约为8000亿美元，远远超过天气相关自然灾害等更为显眼的威胁所造成的损失。

“化学天气”卫星能够像气象卫星追踪龙卷风和飓风等自然灾害那样监测一些最有害的空气污染物，为研究人员和空气质量管理者提供了宝贵的新工具，用以减少空气污染对数亿人生活的影响。

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