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臭氧:“地球保护伞”还是“隐形反派”

来源:经济日报2020-09-27 09:56

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  作者:中国科学院大气物理研究所 王 素

  如今,臭氧的身份从“地球卫士”急转到“隐形反派”。不但上了各地生态环境部门联名“黑名单”,生态环境部还专门发布《2020年挥发性有机物治理攻坚方案》对付它。臭氧不是隔绝紫外线吗?为何人类一边害怕臭氧层空洞,一边又在想方设法对付它?让我们一起来看看臭氧身份是如何逆转的。

  1839年,臭氧在电解稀硫酸实验中被首次发现。在发现地表臭氧“有毒”之前,人们首先注意到了它对于生活的巨大作用。因此,直至20世纪很长一段时间,臭氧仍被自然学家看作是空气中的有益部分。户外工作者通常认为高海拔有益身心健康——因为那里臭氧含量足够高。

  随着科学发展,人们渐渐认识到,从天上到地下、从低浓度到高浓度,臭氧的身份将随之发生巨大转变。

  污染与否位置为准

  在地球诞生40亿年后,随着大气中氧含量增加,臭氧层慢慢建立。它平铺在地表不过3毫米厚,却吸收了到达地球90%以上的紫外线辐射,并将之转化为热能加热大气,才形成了距离地表10千米至50千米的平流层。

  在平流层中臭氧层的庇护下,地球生命的基础物质——脱氧核糖核酸与核糖核酸逃脱了紫外线辐射的“魔爪”,才有了人类出现和发展。可以说,亿万年以前,臭氧层就开始充当地球生物进化的“保护伞”“护航者”。

  臭氧含量90%存在于平流层,对流层中仅含有10%。为什么高空中的平流层臭氧与低空中的对流层臭氧身份迥异呢?这要从不同海拔臭氧的形成说起。

  在平流层,紫外线辐射会打断氧分子两个氧原子之间的化学键,由于氧原子不稳定性极强,剩下的一个氧原子会与另一个氧分子结合,就形成了臭氧——完完全全的“天然”产物。而到了对流层,除部分从平流层到对流层“漫游”的臭氧,以及森林植被生物贡献的臭氧外,绝大部分臭氧是“人造的二次转化产物”,如氮氧化物NOx、VOCs挥发性有机物等,它们是经过复杂光化学反应产生的二次污染物。当日臭氧浓度最大8小时均值超过每立方米160微克,即成为臭氧污染。

  与此同时,臭氧一直是人们的好帮手,在消毒杀菌、抗炎抗感染、止疼镇痛、提高机体免疫力、向缺血组织供氧等为代表的临床应用中均有大作用。甚至,它还有些清新意味——雷雨天后,那沁人心脾的青草气息,也是部分因为少许氧气在遭雷击后转变为了臭氧。这种低浓度臭氧不仅无害,还令人精神振奋。

  但一旦变成了污染,臭氧就换了一副面孔。

  黑化的“地球保护伞”

  臭氧污染究竟对人体有哪些影响?可以说,从中枢神经系统到呼吸系统,从血液到骨骼,均会被它损害。

  由于臭氧具有强氧化性,当浓度过高时,万物都在劫难逃。更可怕的是,透明的臭氧只能被仪器监测,人们难以察觉臭氧是否超标,更谈不上及时保护自己。因而,“臭氧污染”是名副其实的“隐形杀手”。值得注意的是,生活中经常使用的打印机、复印机等均会产生臭氧与一些有机废气,令人防不胜防。

  研究显示,到2050年,仅仅气候变化一项就可能导致中国臭氧污染增加11%;如果能将相关排放减少60%,将拯救33万人的生命。如果各国实施最严格的空气质量标准,每年能够避免6000人死亡。

  臭氧污染,可能比你想得要“厉害”几分——它是夏季污染的“头号元凶”。

  在臭氧浓度变化中,气象起主导作用。它控制着臭氧浓度年季变化与日夜变化。夏季阳光灿烂,却在城市地区暗藏“杀机”。当你在室外闻到特殊的鱼腥味儿,可能就是臭氧超标的手笔。发生光化学反应需要强紫外辐射、高温、低湿与静稳大气环境,光照条件最好的夏季就成了臭氧污染的催化剂——日照越强,光化学反应越剧烈,反应生成的臭氧越浓。因而,夏日午后12时至15时是臭氧污染最严重的时间。

  其实,臭氧污染并不是新现象,只是2012年以前,它着实被“冷落”——毕竟PM2.5更受瞩目。自2013年实施《大气污染防治行动计划》以来,随着全国空气质量监测网的建立,臭氧污染这个名字才逐渐走进大众视野。而对人类而言,臭氧污染其实很早就与另一个名字紧密相连——光化学烟雾。

  当污染源排入大气的氮氧化物与碳氢化合物等一次污染物,在太阳紫外线照射下发生光化学反应,会生成臭氧等二次污染物,这种一次污染物与二次污染物的混合体就是光化学烟雾。臭氧作为光化学烟雾主要氧化剂,其浓度变化成为光化学烟雾警报依据。

  1943年,美国第二大城市洛杉矶发生了全球最早的光化学烟雾事件。当时,该市250万辆汽车每天燃烧掉约1100吨汽油,排放的污染气体等在紫外光线照射下产生光化学反应,最终形成含剧毒、浅棕色、有刺激性的烟雾笼罩整个城市,很多市民因此患上眼红、头疼等疾病。日本、英国、加拿大、澳大利亚、德国等也出现过光化学烟雾事件。

  那么,随着我国夏季臭氧浓度增加,会引发光化学烟雾吗?总的来说,我国臭氧污染水平远低于发达国家光化学烟雾事件频发时期的历史水平,且我国正在加强臭氧监控、采取治理措施,对此生态环境部大气环境司司长刘炳江认为:“当前,我国未出现光化学污染事件,未来发生的可能性也极低。”

  没有人能独善其身

  杜绝“光污染”事件发生,要从源头抓起——可臭氧污染治理真的很难。由于前体物NOx与VOCs在臭氧生成的链式反应中关系复杂,导致其治理机制复杂。还有部分研究表明,PM2.5与臭氧是“此消彼长”。臭氧形成过程依赖于大气自由基浓度,而PM2.5可通过吸收部分大气自由基来抑制臭氧生成,因此实现PM2.5与臭氧的双向治理要求很高。

  此外,臭氧前体物来源复杂,涉及机动车尾气、化工、油漆、餐饮等多方面。其中,移动源机动车治理一直是个难点,化工、餐饮等多且分散,想要精准控制,难度可想而知。因此,臭氧前体物的协同控制成为更大挑战。

  研究发现,新冠肺炎疫情期间,由于我国采取了严格管理措施,NOx比VOCs减少更多,城市成为VOCs控制区,再伴随PM2.5减少,反而更容易使臭氧“超标”。全球范围也是如此。由于多国实施了不同程度社交隔离措施,研究证明,大气污染在各国封锁期间明显减少,但臭氧污染在增加。其中,巴塞罗那增加29%,欧洲平均增加17%。

  究其原因,在于城市新排放的NO是近地面臭氧消耗重要途径。在“滴定效应”影响下,发生了NO+O3→NO2+O2反应。道路交通排放的NO就是消耗当地臭氧的种子选手。然而,交通受限尾气排放减少,加之其他近地面消耗臭氧物质如PM2.5减少,疫情期间城市臭氧大幅增加也就自然而然了。

  其实,一个地方出现臭氧污染,并非都是本地污染惹的祸。例如:珠三角地区夏季臭氧污染最少,秋季最多;长三角一带为夏季最多,秋季次之,冬季最少。这除了本地影响,还受到平流层—对流层输送与远距离输送的操控。

  飞机尾气会将污染从对流层带到平流层,气象现象也可能会造成某一地点周期性短暂温度连续性“破坏”,使得对流层与平流层之间的间隔被打开,通过垂直下沉运动将物质从平流层传输到对流层(俗称STT)。此时,平流层的臭氧就会随着空气被带到地表来“串门”了。由于STT经常在中纬度发生,它贡献了北半球中纬度对流层20%至30%的臭氧资源。青藏高原地区就是对流层与平流层的物质输送通道之一。

  但就全球而言,平流层作用很小,主要仍通过改变大气环流等方式,来影响区域对流层臭氧及其前体物的时空分布形态。其中,跨欧洲的污染物途经地中海、中东,可以影响东亚地区的空气质量;来自北美的污染气团仅需6天至15天即可达到大西洋中部,导致欧洲臭氧增加。因此,全球范围大气环流导致的跨区域输送,注定了各国在臭氧防控中无人能够“独善其身”。

  万幸的是,打赢臭氧攻坚战,我们从未放弃。今年6月,《2020年挥发性有机物治理攻坚方案》发布,表明了我国对臭氧治理的决心;7月1日,《挥发性有机物无组织排放控制标准》实施,打赢蓝天保卫战,我们在行动。希望在携手共建美好环境倡议下,大家能早日认识到,臭氧污染的减少不仅要“天帮忙”,更要“人努力”。

  (本文授权转自科学大院微信公众号:kexuedayuan,有删改。)

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