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自然科普：高温热浪带来的还有臭氧污染

来源：科普中国

发布时间：2020-11-29

浏览次数：1949

　　根据中国气象局数据显示，今年5月份全国高温范围为近50多年来最高记录，高温日数为次最高，总的来说今年的高温天气来的早，分布广，而且根据50年数据来看，已经基本形成了高温越来越早的趋势。这里既有人为排放温室气体促使全球变暖的大背景影响因素，也有自然本身因素。
　　高温的危害是显而易见的，据报道，截止5月中旬，浙江、江西、湖南等地出现了多个中暑和热射病患者，这一方面体现了高温之高，另一方面表现出高温提前令人们准备不足。
　　高温热浪的另一个危害就是臭氧（O₃）污染。根据生态环保部门公布的监测数据显示，去年5、6月份由于出现持续高温，京津冀出现了较多的臭氧污染。今年5月期间，北京单站臭氧8小时滑动平均最高值279微克每立方米，小时均值最高值337微克每立方米，且都已有多次超标，有些站点甚至一个月有二分之一到三分之二的日数存在超标，全国367个监测臭氧的城市中共有252个城市出现八小时滑动平均浓度超标，超标率为68.7%，2016年全国338地级及以上城市中，全年86%（288个）出现臭氧污染超标现象，京津冀鲁豫、长三角、珠三角和成渝地区为超标较集中的区域。这些区域近十年处于逐年上升趋势，且京津冀地区涨幅居前。
　　
　　

　　图1：2018年5月全国367个臭氧监测城市8小时滑动平均超标天数分布图（数据来自生态环境部）
　　臭氧污染是怎么来的？
　　大气层中的臭氧有90%分布在离地面 20 km至50 km平流层高空，平流层臭氧生成是由来自太阳的紫外线，将一个氧气分子分为两个氧原子，然后每个氧原子和没有分裂的氧气分子合并生成三个氧原子组成的臭氧分子。臭氧分子不稳定还会分解、又合并形成动态平衡的臭氧层，臭氧对太阳辐射的紫外线有强烈的吸收作用，因此这层臭氧在高空保护地球生物免遭过量紫外线照射，是我们地球生物的保护伞（但有些敏感人群也会在坐飞机时感受到臭氧的刺激）。
　　但另外10%左右的臭氧存在于我们生活的对流层。在春季北半球会有一些来自平流层的臭氧向下输送，但更多的对流层臭氧来自光化学反应。这部分对流层臭氧既是造成全球变暖的温室气体又是损害地球生物的有害污染气体。我们目前所说的臭氧污染主要是对流层内的更贴近人类的近地层这部分有害的臭氧。
　　总的来说，人类活动直接排放的近地层臭氧的量微不足道，一般来自生活使用的激光打印机，静电式空气净化器，有些使用臭氧发生器的消毒装置等，仅对附近的使用者会产生一定健康危害。不过近年来广泛采用的，利用高压静电或称为等离子体技术类的餐饮油烟过滤装置、工业挥发性有机物减排装置将会产生过量的局地臭氧排放。
　　大量的近地层臭氧来自人类活动的间接排放。人类排放的工业废气及化石燃料的燃烧所排放的尾气中含有大量氮氧化物和挥发性有机物。这些物质在特定的气象条件下，如强烈日光、无风或微风时，经过一系列光化学反应生成了主要含臭氧、醛类以及多种过氧酰基硝酸酯的光化学污染物，其中臭氧含量占 90％。
　　因此，就像细颗粒物（PM2.5）是雾霾污染最主要的污染物，臭氧是光化学污染的首要污染物，也称为示踪物，也就是说发生了臭氧超标，表明还有其它的光化学污染产物伴随产生，尤其是一些有机气溶胶，这也是细颗粒物中的主要成分之一。简单地说，对流层臭氧产生的三大主因为：氮氧化物，挥发性有机物和阳光。　　
　　臭氧有哪些危害？
　　高浓度臭氧对人体健康有较大影响，可导致中枢神经系统、肺功能和甲状腺功能受损，组织缺氧、视力和视觉敏感度下降，引起胸闷咳嗽、咽喉肿痛及加重呼吸系统疾病恶化等危害。大量流行病学研究表明，长期吸入臭氧可增加哮喘、慢性阻塞性肺疾病发病率和死亡率增高。臭氧与其他空气污染物，如细颗粒物、氮氧化物等共同作用对心血管系统的损害效果更加明显。
　　臭氧很不稳定，具有强氧化性，本身有害的同时在空气中还会参与很多化学反应，能与许多有机物和无机物发生反应，危害室内外材料、装饰涂料和文物等，同时这些反应都会产生二次污染，二次污染物中都包含大量醛类化合物，因此二次污染物的刺激性更强，对人体和材料危害更严重。
　　随着室外大气臭氧超标，开窗换气或通风设施主动通风，都会将臭氧传入室内，由于室内墙面，家具，生活、办公用品等的构成的表面较多，臭氧在室内一般寿命很短，如果没有持续的来源，几分钟到几十分钟内就会基本自行反应掉，但如果有持续的外界来源，将导致室内的臭氧持续超标，更复杂和有害的问题是在室内环境中存在某些挥发性有机物能够与臭氧迅速反应，研究表明，有些室内甲醛就是臭氧与大多数室内不饱和碳氢化合物反应的主要产物，这些反应物还包括丙醛、己醛、丙酸和己酸，以及少量的乙醛，戊醛和壬醛等。
　　

　　图2 臭氧的危害（引用自：近地臭氧有何危害、如何应对？来源：《科技生活》周刊
　　https://www.cdstm.cn/gallery/kjzd/201707/t20170725_536795.html）
　　如何进行臭氧污染的防护？
　　在阳光强烈的夏季，我们应该更多关注来自环保部门公布的环境监测数据，在出现臭氧超标的时候注意个人防护。由于臭氧本身化学活性强，和大多数表面都会发生分解、氧化反应，只是分解速率取决于温度，湿度，接触材料和停留时间，因此在室外臭氧超标时，可以减少室外通风并开启空气净化器，空气净化器能增加臭氧与各种表面接触的次数与时间，尤其是目前很多净化器装有活性炭滤网，降低臭氧浓度的效率更高，但也要注意有些高压静电式净化器本身就会释放臭氧，应确保其具备臭氧过滤网，且不会在数小时使用过程中被饱和穿透。
　　由于即便是防护细颗粒物的口罩也不是靠更小孔径截留颗粒物，而是靠加驻了静电的纤维网通过电极吸附原理去除的，那么自然对臭氧分子也有一定吸附作用和表面分解作用，当然比表面积更大的活性炭材料具有更高的效率，也就是说对于敏感人群，在臭氧超标的室外活动佩戴口罩是有效的，只是不同的材质，器型配合等导致效率不同。
　　如何进行臭氧污染治理？
　　近地层臭氧污染问题也是世界性的难题，在著名的化学烟雾事件曾经爆发的洛杉矶，这些年来依然处于美国臭氧浓度排行榜前列。
　　据当地研究表明，洛杉矶居民由于长期呼吸具有臭氧污染的空气，预计2011年有 100 万成年人和30万儿童患哮喘病，造成约高达26亿美元的经济损失。臭氧污染也是欧盟成员国最主要的空气污染问题。
　　据报道，因臭氧污染问题，欧盟居民人均寿命减少了8个月，欧盟每年因臭氧污染问题死亡人数超过2000例，有60％的人在臭氧浓度超标的环境中暴露过。欧盟监测臭氧的国家中污染主要集中在法国、意大利、葡萄牙和西班牙，该区域臭氧污染水平高与该地区夏季高温热浪与机动车排放有直接关系。全球热点地区人口与经济、消费持续增长，更多的能源消耗就要排放更多臭氧前体物，臭氧污染会不断加剧。
　　美国奥巴马政府曾为了保护经济增长宽松了臭氧浓度的限制标准，但欧美发达国家的标准仍比我国现阶段标准严格。相比于欧盟的臭氧最大8小时平均值120微克/立方米、世界卫生组织（WHO）最大8小时平均值100微克/立方米的标准，我国为160微克/立方米。
　　近地层臭氧在我国各大城市一般存在明显的季节变化和日变化形态，即夏秋季出现峰值，但有些地区入夏后降水增多，就表现为夏中期间有谷值，初夏和秋季双峰形形态，日变化一般都是较为规律的正弦波形态，午后出现峰值，但远郊区因为传输、污染源分布以及边界层变化原因也会出现峰值拖尾甚至双峰形态。
　　因为臭氧是间接产物，治理只能是减少它的原料，其难处在于我们目前的大气环境处于一种大气中臭氧的产生原料非常充足且源源不断，只要气象条件合适，马上就达到污染状态，近期北方地区普遍的臭氧污染就是高温提前到来，满足了高浓度臭氧的产生条件。又因为臭氧为非线性反应的产物，因此原料减排并不直接对应污染物浓度降低，有时反而减排导致污染物浓度上升。
　　臭氧的原料，如前述为氮氧化物与挥发性有机物，也称为前体物，这两项前体物来源十分广泛，城市中的氮氧化物主要来自机动车尾气、化石燃料燃烧，工业生产过程。挥发性有机物来源主要有汽车喷涂、印刷厂油墨挥发、加油站油气挥发、化工厂炼油过程油气挥发、溶剂使用等等。除了人为源，氮氧化物有来自土壤生态系统的自然源，挥发性有机物有来自森林植被等的自然源。
　　 “大气十条”实施以来，全国氮氧化物减排量达到569万吨，但挥发性有机物污染防治仍处于起步阶段，存在排放基数不清、治理措施不利、监测能力不足、标准缺失以及法规滞后等问题，目前全国的挥发性有机物排放量依然呈增长趋势。尤其是目前对于氮氧化物的人为源减排较多，但挥发性有机物人为源减排较少、其自然源减排尚无涉及，这恰恰形成了臭氧更易生成的配比，导致臭氧浓度增高。因为臭氧生成量和生成速率不仅与氮氧化物、挥发性有机化合物的浓度有关，还与其配比值有很强的非线性关系。在低氮氧化物条件下，即氮氧化物控制区，臭氧浓度随氮氧化物的增加而增加，而挥发性有机物浓度改变对臭氧影响不大；在高氮氧化物条件下即挥发性有机物控制区，氮氧化物的降低会引起臭氧浓度的上升，挥发性有机物的增加会使臭氧浓度升高，目前我国大部分地区处于挥发性有机物控制区。
　　当前我国挥发性有机物治理水平和技术还不太成熟，表现为减排效率高的燃烧类设施成本很高，稍有不慎还会增加氮氧化物排放；成本较低的方法装置往往效率很低，甚至还会直接排放臭氧，如前所述的高压用电式装置。要有所侧重，研究表明挥发性有机物里的烯烃和芳香烃是对臭氧生成更加有活性和关键的种类，因此要针对高活性的挥发性有机物应该优先进行减排，优先研发、选用减排效率高且无二次污染物的技术方法。
　　
　　

　　图3人工高压用电装置产生臭氧原理（图片来源：http://www.11ozone.com/jishuwenxian/7.html）
　　还需要提醒大家，研究结果表明，即便是不超空气质量标准的少量的臭氧对人体健康依然存在潜在的危害。尤其是对于每天在室外工作数小时的人群来说，即使臭氧浓度低于较严格的环境空气质量标准，也会对肺功能造成负面影响。因此在经济、技术条件允许的情况下，尽可能降低空气中的臭氧浓度应该是我们追求的大气环境优化目标。
　　（本文中标明来源的图片均已获得授权）　　
　　出品：科普中国
　　制作：中国科学院大气物理研究所孙扬
　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

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