環(huán)境空氣中臭氧變化規(guī)律及來源分析

【摘 要】本文通過廣州市番禺區(qū)轄區(qū)內(nèi)環(huán)境空氣中臭氧濃度數(shù)據(jù)的歸納分析，初步得出臭氧的日變化規(guī)律及月變化規(guī)律。簡(jiǎn)要的闡述環(huán)境空氣中臭氧的形成原因，找出臭氧的來源，并對(duì)降低地區(qū)臭氧濃度突出初步的建議。

【關(guān)鍵詞】臭氧；變化規(guī)律；形成原因；來源；降低；建議

1 臭氧的介紹

1.1 臭氧的基本信息

臭氧，化學(xué)式為O3，是氧氣的同素異形體。 臭氧主要存在于距地球表面20千米的同溫層下部的臭氧層中，含量約50ppm。它吸收對(duì)人體有害的短波紫外線，防止其到達(dá)地球，以屏蔽地球表面生物，不受紫外線侵害。在大氣層中，氧分子因高能量的輻射而分解為氧原子（O），而氧原子與另一氧分子結(jié)合，即生成臭氧。臭氧又會(huì)與氧原子、氯或其他游離性物質(zhì)反應(yīng)而分解消失，由于這種反復(fù)不斷的生成和消失，臭氧含量可維持在一定的均衡狀態(tài)。

1.2 臭氧的物理性質(zhì)

物理性質(zhì)方面，在常溫、常態(tài)、常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體，當(dāng)濃度達(dá)到 15%時(shí)，呈現(xiàn)出淡藍(lán)色。臭氧可溶于水，在常溫常態(tài)常壓下臭氧在水中的溶解度比氧高約13倍，比空氣高25倍。一般情況下，臭氧在低層空氣中的含量極低，故分壓也極低。

1.3 臭氧的化學(xué)性質(zhì)

臭氧很不穩(wěn)定，在常溫常態(tài)常壓下即可分解為氧氣。臭氧、氯和二氧化氫的氧化勢(shì)（還原電位）分別是2.07、1.36、1.28伏特，可見臭氧是氧化力量很強(qiáng)的一種物質(zhì)。臭氧的氧化作用導(dǎo)致不飽和的有機(jī)分子的破裂。使臭氧分子結(jié)合在有機(jī)分子的雙鍵上，生成臭氧化物。臭氧化物的自發(fā)性分裂產(chǎn)生一個(gè)羧基化合物和帶有酸性和堿性基的兩性離子，后者是不穩(wěn)定的，可分解成酸和醛。

含量為 1 %以下的臭氧，在常溫常態(tài)常壓的空氣中分解半衰期為 16h 左右。隨著溫度的升高，分解速度加快，溫度超過 100℃ 時(shí)，分解非常劇烈，達(dá)到 270℃高溫時(shí)，可立即轉(zhuǎn)化為氧氣。

1.4 臭氧的毒性

臭氧屬于有害氣體，濃度為 0.3mg/m3時(shí)，對(duì)眼、鼻、喉有刺激的感覺；濃度 3～30mg/m3時(shí)，出現(xiàn)頭疼及呼吸器官局部麻痹等癥 ； 臭氧濃度為15～60mg/m3時(shí) ， 則對(duì)人體有危害。其毒性還和接觸時(shí)間有關(guān)，例如長(zhǎng)期接觸8mg/m3以下的臭氧會(huì)引起永久性心臟障礙，但接觸 20ppm 以下的臭氧不超過 2h ，對(duì)人體無永久性危害。因此，臭氧濃度的允許值定為 0.16g/m3（8h）。

2 番禺區(qū)環(huán)境空氣中臭氧濃度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

2.1 臭氧濃度統(tǒng)計(jì)

2013年伊始，番禺區(qū)的番禺市橋環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站（國(guó)控點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱番禺市橋子站）開始對(duì)臭氧開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一年下來，獲得了大量的臭氧濃度的數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理歸納和統(tǒng)計(jì)分析，得到一些初步的結(jié)論。

1）臭氧濃度的年分布分析

2）臭氧濃度的日變化趨勢(shì)

在一天內(nèi)，臭氧的濃度變化幅度很大。一般的，臭氧濃度在晚上都處于一個(gè)很低的水平。隨著清晨太陽出來，溫度升高，臭氧濃度開始迅速升高，到午后達(dá)到峰值，然后逐漸降低。這個(gè)規(guī)律在一年里的其它季節(jié)和時(shí)間也得到很好的重復(fù)性。

3 臭氧來源分析

3.1 臭氧的來源

理論上，低層環(huán)境空氣中臭氧含量是非常非常低的。導(dǎo)致環(huán)境空氣中臭氧濃度的升高主要是二氧化氮在一定的光強(qiáng)下解離所致。

在一定的氣象條件以及光輻射下，空氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物（如烴類）等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧和其它有機(jī)物（如醛類）等。這些物質(zhì)會(huì)造成空氣處于煙霧狀，這種現(xiàn)象稱為光化學(xué)煙霧。圖3為光化學(xué)煙霧的日變化曲線圖。

從圖3可以看出，在一定的氣象條件及光輻射下，臭氧的濃度早上八九時(shí)開始升高，午后十四時(shí)左右達(dá)到峰值后慢慢降低，至太陽下山入夜后便處于一個(gè)比較穩(wěn)定的低值。將圖3和圖2進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)番禺區(qū)的臭氧日變化趨勢(shì)與理論曲線有著吻合的地方，但峰值出現(xiàn)的時(shí)間比理論曲線要晚一個(gè)小時(shí)左右。這個(gè)，可以推測(cè)為番禺區(qū)的臭氧并不全部由本地區(qū)產(chǎn)生，部分來源于外部環(huán)境空氣的輸送。

3.2 光化學(xué)煙霧的遷移特性

環(huán)境空氣中因一次污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成光化學(xué)煙霧，是臭氧濃度升高的最主要原因。而光化學(xué)煙霧的生成，是一個(gè)緩慢的化學(xué)過程，這就導(dǎo)致了光化學(xué)煙霧的遷移特性。

太陽升起，隨著人類活動(dòng)的活躍，環(huán)境空氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物濃度增加。在太陽光的輻射下，氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物形成化學(xué)反應(yīng)鏈，形成光化學(xué)煙霧，生成臭氧和醛類等。在反應(yīng)的過程中，由于風(fēng)力的作用，這些二次污染物將往下風(fēng)向遷移，這就是光化學(xué)煙霧的遷移特性。也就是說，某個(gè)地區(qū)臭氧濃度的升高，其主要原因是由其上風(fēng)向數(shù)公里乃至數(shù)十公里的地方遷移過來的。

3.3 番禺區(qū)臭氧來源分析

仔細(xì)分析番禺區(qū)臭氧和二氧化氮的變化趨勢(shì)，對(duì)比光化學(xué)煙霧的日變化趨勢(shì)理論圖，可以初步推論，番禺轄區(qū)內(nèi)本身所產(chǎn)生的光化學(xué)煙霧的量并不高，也就是說，番禺轄區(qū)內(nèi)本身產(chǎn)生的臭氧不多。從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析，我們有理由相信，造成番禺區(qū)臭氧濃度水平較高的主要原因，是上風(fēng)向區(qū)域形成的光化學(xué)煙霧中的臭氧，通過區(qū)域大氣的流動(dòng)，輸送到番禺轄區(qū)內(nèi)。

番禺位于珠三角的中心，春夏以東南季風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，秋冬以北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向。春夏時(shí)，東莞和深圳的光化學(xué)煙霧將隨東南季風(fēng)遷移到番禺；秋冬季節(jié)，廣州市區(qū)形成的臭氧又隨北風(fēng)來到番禺的上空。因此，番禺區(qū)的臭氧在一年的大部分時(shí)間內(nèi)都處于一個(gè)比較高的濃度水平。

4 降低番禺區(qū)臭氧濃度的措施及建議

根據(jù)臭氧的生成機(jī)制及區(qū)域輸送特點(diǎn)，提出如下幾條降低番禺轄區(qū)臭氧濃度的措施及建議。

4.1 限值機(jī)動(dòng)車數(shù)量，提高油品質(zhì)量

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是環(huán)境空氣中氮氧化物的主要來源。限制機(jī)動(dòng)車的數(shù)量，特別是污染物排放量大的黃標(biāo)車的數(shù)量，將有效降低氮氧化物的排放。另外，提升油品質(zhì)量也是一種行之有效的方法。不同級(jí)別的油品在燃燒時(shí)產(chǎn)生的污染物的量有著較大的差別。因此，提升油品級(jí)別和質(zhì)量，對(duì)減少污染物的排放將有著立竿見影的作用。

4.2 控制轄區(qū)內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物的排放

揮發(fā)性有機(jī)物是形成光化學(xué)煙霧的其中一個(gè)重要因素。因此，控制轄區(qū)內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物的排放量，可以有效的切斷光化學(xué)煙霧的反應(yīng)鏈，降低臭氧的生成量。

4.3 形成大區(qū)域的協(xié)調(diào)機(jī)制，從全局全區(qū)域整體降低臭氧濃度

大氣環(huán)流輸送是番禺區(qū)臭氧濃度水平較高的一個(gè)重要組成部分。因此，想要達(dá)到降低番禺區(qū)域的臭氧濃度水平，必須形成一個(gè)以珠三角乃至廣東省為一體的區(qū)域協(xié)調(diào)機(jī)制，從全局的高度制定政策及措施來控制臭氧的生成和轉(zhuǎn)移。

4.4 完善臭氧的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)臭氧濃度的變化開展更深入的監(jiān)測(cè)

在2012版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）中，臭氧被列入為環(huán)境空氣的主要污染物。目前，對(duì)臭氧的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)還在逐步的完善中。加快臭氧監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，特別是大區(qū)域的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立，加強(qiáng)臭氧濃度的數(shù)據(jù)掌握，為制定控制區(qū)域臭氧濃度的政策和措施提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，這也是非常必要和重要的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]戴樹桂，主編.環(huán)境化學(xué)[M].高等教育出版社，2006：78-99.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]