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臭氧:“地球保護傘”還是“隱形反派”

http://dailynews.sina.com   2020年09月26日 16:35   中國新聞網

  臭氧:“地球保護傘”還是“隱形反派”

  王 素

  如今,臭氧的身份從“地球衛士”急轉到“隱形反派”。不但上了各地生態環境部門聯名“黑名單”,生態環境部還專門發佈《2020年揮發性有機物治理攻堅方案》對付它。臭氧不是隔絕紫外線嗎?爲何人類一邊害怕臭氧層空洞,一邊又在想方設法對付它?讓我們一起來看看臭氧身份是如何逆轉的。

  隨着科學發展,人們漸漸認識到,從天上到地下、從低濃度到高濃度,臭氧的身份將隨之發生巨大轉變。

  污染與否位置爲準

  在地球誕生40億年後,隨着大氣中氧含量增加,臭氧層慢慢建立。它平鋪在地表不過3毫米厚,卻吸收了到達地球90%以上的紫外線輻射,並將之轉化爲熱能加熱大氣,才形成了距離地表10千米至50千米的平流層。

  在平流層中臭氧層的庇護下,地球生命的基礎物質——脫氧核糖核酸與核糖核酸逃脫了紫外線輻射的“魔爪”,才有了人類出現和發展。可以說,億萬年以前,臭氧層就開始充當地球生物進化的“保護傘”“護航者”。

  臭氧含量90%存在於平流層,對流層中僅含有10%。爲什麼高空中的平流層臭氧與低空中的對流層臭氧身份迥異呢?這要從不同海拔臭氧的形成說起。

  在平流層,紫外線輻射會打斷氧分子兩個氧原子之間的化學鍵,由於氧原子不穩定性極強,剩下的一個氧原子會與另一個氧分子結合,就形成了臭氧——完完全全的“天然”產物。而到了對流層,除部分從平流層到對流層“漫遊”的臭氧,以及森林植被生物貢獻的臭氧外,絕大部分臭氧是“人造的二次轉化產物”,如氮氧化物NOx、VOCs揮發性有機物等,它們是經過複雜光化學反應產生的二次污染物。當日臭氧濃度最大8小時均值超過每立方米160微克,即成爲臭氧污染。

  與此同時,臭氧一直是人們的好幫手,在消毒殺菌、抗炎抗感染、止疼鎮痛、提高機體免疫力、向缺血組織供氧等爲代表的臨牀應用中均有大作用。甚至,它還有些清新意味——雷雨天后,那沁人心脾的青草氣息,也是部分因爲少許氧氣在遭雷擊後轉變爲了臭氧。這種低濃度臭氧不僅無害,還令人精神振奮。

  但一旦變成了污染,臭氧就換了一副面孔。

  黑化的“地球保護傘”

  臭氧污染究竟對人體有哪些影響?可以說,從中樞神經系統到呼吸系統,從血液到骨骼,均會被它損害。

  由於臭氧具有強氧化性,當濃度過高時,萬物都在劫難逃。更可怕的是,透明的臭氧只能被儀器監測,人們難以察覺臭氧是否超標,更談不上及時保護自己。因而,“臭氧污染”是名副其實的“隱形殺手”。值得注意的是,生活中經常使用的打印機、複印機等均會產生臭氧與一些有機廢氣,令人防不勝防。

  研究顯示,到2050年,僅僅氣候變化一項就可能導致中國臭氧污染增加11%;如果能將相關排放減少60%,將拯救33萬人的生命。如果各國實施最嚴格的空氣質量標準,每年能夠避免6000人死亡。

  臭氧污染,可能比你想得要“厲害”幾分——它是夏季污染的“頭號元兇”。

  在臭氧濃度變化中,氣象起主導作用。它控制着臭氧濃度年季變化與日夜變化。夏季陽光燦爛,卻在城市地區暗藏“殺機”。當你在室外聞到特殊的魚腥味兒,可能就是臭氧超標的手筆。發生光化學反應需要強紫外輻射、高溫、低溼與靜穩大氣環境,光照條件最好的夏季就成了臭氧污染的催化劑——日照越強,光化學反應越劇烈,反應生成的臭氧越濃。因而,夏日午後12時至15時是臭氧污染最嚴重的時間。

  其實,臭氧污染並不是新現象,只是2012年以前,它着實被“冷落”——畢竟PM2.5更受矚目。自2013年實施《大氣污染防治行動計劃》以來,隨着全國空氣質量監測網的建立,臭氧污染這個名字才逐漸走進大衆視野。而對人類而言,臭氧污染其實很早就與另一個名字緊密相連——光化學煙霧。

  當污染源排入大氣的氮氧化物與碳氫化合物等一次污染物,在太陽紫外線照射下發生光化學反應,會生成臭氧等二次污染物,這種一次污染物與二次污染物的混合體就是光化學煙霧。臭氧作爲光化學煙霧主要氧化劑,其濃度變化成爲光化學煙霧警報依據。

  1943年,美國第二大城市洛杉磯發生了全球最早的光化學煙霧事件。當時,該市250萬輛汽車每天燃燒掉約1100噸汽油,排放的污染氣體等在紫外光線照射下產生光化學反應,最終形成含劇毒、淺棕色、有刺激性的煙霧籠罩整個城市,很多市民因此患上眼紅、頭疼等疾病。日本、英國、加拿大、澳大利亞、德國等也出現過光化學煙霧事件。

  那麼,隨着我國夏季臭氧濃度增加,會引發光化學煙霧嗎?總的來說,我國臭氧污染水平遠低於發達國家光化學煙霧事件頻發時期的歷史水平,且我國正在加強臭氧監控、採取治理措施,對此生態環境部大氣環境司司長劉炳江認爲:“當前,我國未出現光化學污染事件,未來發生的可能性也極低。”

  沒有人能獨善其身

  杜絕“光污染”事件發生,要從源頭抓起——可臭氧污染治理真的很難。由於前體物NOx與VOCs在臭氧生成的鏈式反應中關係複雜,導致其治理機制複雜。還有部分研究表明,PM2.5與臭氧是“此消彼長”。臭氧形成過程依賴於大氣自由基濃度,而PM2.5可通過吸收部分大氣自由基來抑制臭氧生成,因此實現PM2.5與臭氧的雙向治理要求很高。

  此外,臭氧前體物來源複雜,涉及機動車尾氣、化工、油漆、餐飲等多方面。其中,移動源機動車治理一直是個難點,化工、餐飲等多且分散,想要精準控制,難度可想而知。因此,臭氧前體物的協同控制成爲更大挑戰。

  研究發現,新冠肺炎疫情期間,由於我國採取了嚴格管理措施,NOx比VOCs減少更多,城市成爲VOCs控制區,再伴隨PM2.5減少,反而更容易使臭氧“超標”。全球範圍也是如此。由於多國實施了不同程度社交隔離措施,研究證明,大氣污染在各國封鎖期間明顯減少,但臭氧污染在增加。其中,巴塞羅那增加29%,歐洲平均增加17%。

  究其原因,在於城市新排放的NO是近地面臭氧消耗重要途徑。在“滴定效應”影響下,發生了NO+O3→NO2+O2反應。道路交通排放的NO就是消耗當地臭氧的種子選手。然而,交通受限尾氣排放減少,加之其他近地面消耗臭氧物質如PM2.5減少,疫情期間城市臭氧大幅增加也就自然而然了。

  其實,一個地方出現臭氧污染,並非都是本地污染惹的禍。例如:珠三角地區夏季臭氧污染最少,秋季最多;長三角一帶爲夏季最多,秋季次之,冬季最少。這除了本地影響,還受到平流層—對流層輸送與遠距離輸送的操控。

  飛機尾氣會將污染從對流層帶到平流層,氣象現象也可能會造成某一地點週期性短暫溫度連續性“破壞”,使得對流層與平流層之間的間隔被打開,通過垂直下沉運動將物質從平流層傳輸到對流層(俗稱STT)。此時,平流層的臭氧就會隨着空氣被帶到地表來“串門”了。由於STT經常在中緯度發生,它貢獻了北半球中緯度對流層20%至30%的臭氧資源。青藏高原地區就是對流層與平流層的物質輸送通道之一。

  但就全球而言,平流層作用很小,主要仍通過改變大氣環流等方式,來影響區域對流層臭氧及其前體物的時空分佈形態。其中,跨歐洲的污染物途經地中海、中東,可以影響東亞地區的空氣質量;來自北美的污染氣團僅需6天至15天即可達到大西洋中部,導致歐洲臭氧增加。因此,全球範圍大氣環流導致的跨區域輸送,註定了各國在臭氧防控中無人能夠“獨善其身”。

  萬幸的是,打贏臭氧攻堅戰,我們從未放棄。今年6月,《2020年揮發性有機物治理攻堅方案》發佈,表明了我國對臭氧治理的決心;7月1日,《揮發性有機物無組織排放控制標準》實施,打贏藍天保衛戰,我們在行動。希望在攜手共建美好環境倡議下,大家能早日認識到,臭氧污染的減少不僅要“天幫忙”,更要“人努力”。

  (作者單位:中國科學院大氣物理研究所,本文授權轉自科學大院微信公衆號:kexuedayuan,有刪改。)

【編輯:王詩堯】

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