大氣近地層臭氧濃度與γ射線空氣吸收劑量率相關(guān)性研究

韓鳳禹

克拉瑪依市環(huán)境科研監(jiān)測中心站，中國·新疆 克拉瑪依834000

臭氧；γ 射線；空氣吸收劑量率；相關(guān)性

1 引言

1.1 臭氧

臭氧的化學(xué)式為O3，是氧氣O2的同素異形體，常溫下是一種有魚腥味的淡藍(lán)色氣體。臭氧在光照條件下可吸收紫外線中的短波成分迅速分解為氧氣，高溫和潮濕環(huán)境也會促進(jìn)臭氧的分解。分子結(jié)構(gòu)為V 型，不穩(wěn)定，有強(qiáng)氧化性，氧化反應(yīng)后變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的氧氣。紫外線中的短波成分包括波長范圍在280 納米～100 納米的短波紫外線、150 納米～10 納米的超紫外線和121 納米～10 納米的極紫外線等。

臭氧的強(qiáng)氧化性是其對人類健康、動植物生長和建筑材料等造成危害的原因。國際環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)提出，人在一個小時內(nèi)可接受臭氧的極限濃度是260μg/m3，在320μg/m3臭氧環(huán)境中活動1h 就會引起咳嗽、呼吸困難及肺功能下降；臭氧還能參與生物體中的不飽和脂肪酸、氨基及其他蛋白質(zhì)反應(yīng)，使長時間直接接觸高濃度臭氧的人出現(xiàn)疲乏、咳嗽、胸悶胸痛、皮膚起皺、惡心頭痛、脈搏加速、記憶力衰退、視力下降等癥狀；臭氧也會使植物葉子變黃甚至枯萎，對植物造成損害，甚至造成農(nóng)林植物的減產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益下降等；臭氧能夠較快地與室內(nèi)的建筑材料（如乳膠涂料等表面涂層）、居家用品（如軟木器具、地毯等）、絲、棉花、醋酸纖維素、尼龍和聚酯的制成品中含不飽和碳碳鍵的有機(jī)化合物（包括橡膠、苯乙烯、不飽和脂肪酸及其酯類）發(fā)生反應(yīng)，從而造成染料褪色、照片圖像層脫色、輪胎老化等[1]。

地球大氣中的臭氧有約90%分布在平流層，距地面10km～50km 之間，約10%分布在對流層，從地面延伸至對流層底部。對流層中的臭氧來源可分為自然源和人為源，自然源為平流層中的臭氧向下傳輸?shù)綄α鲗雍吞厥庾匀惶鞖鈼l件下生成的臭氧；人為源主要指人類活動產(chǎn)生的臭氧，包括排放的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）等污染物在光化學(xué)反應(yīng)中生成和臭氧技術(shù)利用活動逸散。

臭氧是大氣光化學(xué)煙霧的重要指示物。揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）和氮氧化物（NOx）被排放到大氣中后，在強(qiáng)烈的陽光紫外線照射下發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)，生成有害淺藍(lán)色煙霧。大氣光化學(xué)煙霧對人體健康、動植物生長、建筑材料等有嚴(yán)重危害，也會降低大氣能見度，危害生活條件。

1.2 γ 射線

γ 射線為電離輻射，波長小于0.1 納米，貫穿能力強(qiáng)。輻射環(huán)境自動監(jiān)測站空氣吸收劑量率可直接、快速、連續(xù)反映環(huán)境輻射水平，是重要環(huán)境輻射監(jiān)測項(xiàng)目，其監(jiān)測結(jié)果包括環(huán)境地表γ 射線空氣吸收劑量率及儀表對宇宙射線所致空氣吸收劑量率的響應(yīng)，單位為戈瑞/小時（Gy/h）。其中環(huán)境地表γ 輻射空氣吸收劑量率為地表上方一定高度周圍物質(zhì)中的天然和人工核素發(fā)出的γ 射線所致空氣吸收劑量率。

根據(jù)中國的《2017 全國輻射環(huán)境質(zhì)量報告》，環(huán)境地表γ 輻射空氣吸收劑量率存在不可忽視的漲落，與地下水位、土壤中水分、降水的影響、冰雪的覆蓋、放射性物質(zhì)的地面沉降、射氣的析出和擴(kuò)散等環(huán)境因素有關(guān)。降雨引起的空氣中氡子體沉降，土壤中水分以及雪覆蓋等因素的影響更為明顯，特別是空氣中氡子體受雨水的沖刷和清洗，可使環(huán)境地表γ 輻射空氣吸收劑量率短時間內(nèi)增加50%～100%，升高的程度取決于降雨時間間隔和降雨量。升高可持續(xù)幾小時，然后降至比平均低約5%的水平，降低的原因是土壤中水分增加而產(chǎn)生屏蔽作用。如果不再降雨，隨著土壤中水分的減少，經(jīng)幾小時或幾天恢復(fù)至正常水平。此外，雪覆蓋可使環(huán)境地表γ 輻射空氣吸收劑量率降低，大約1cm 厚的雪可降低約1%。

1.3 研究現(xiàn)狀

近地層臭氧濃度增加的原因是當(dāng)今環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[2]，現(xiàn)有的研究方向主要集中在臭氧濃度與輻射照度、能見度、日照時間、氣溫、降水、相對濕度、云量等氣象因素[2-15]和其前體污染物[7，15]的相關(guān)性，而對臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率的相關(guān)性的研究較少。理論上，γ 射線可通過電離效應(yīng)將空氣中的氮?dú)夂脱鯕怆婋x，形成氮氧化物和臭氧，進(jìn)而使臭氧濃度增加；也可通過光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)將能量傳輸給空氣中的臭氧，對臭氧的化學(xué)穩(wěn)定性造成影響，促進(jìn)臭氧的分解和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而降低臭氧濃度。論文旨在通過在同一地點(diǎn)監(jiān)測大氣近地層臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率，統(tǒng)計日平均值和月平均值，分析兩組樣本數(shù)據(jù)的相關(guān)性并討論結(jié)果指示的意義。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

臭氧濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)來自國家環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測網(wǎng)克拉瑪依市長征小區(qū)站2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)。長征小區(qū)站在監(jiān)測網(wǎng)中的級別為城市站，位于克拉瑪依市環(huán)境科研監(jiān)測中心站辦公樓，監(jiān)測高度12m，采用紫外吸收法全年連續(xù)監(jiān)測臭氧小時濃度。全年共有8667 個小時均值，論文統(tǒng)計365 個日均值和12 個月均值進(jìn)行研究。

γ 射線空氣吸收劑量率監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于國家輻射環(huán)境自動監(jiān)測網(wǎng)克拉瑪依市準(zhǔn)噶爾路站2017年監(jiān)測數(shù)據(jù)。準(zhǔn)噶爾路站在監(jiān)測網(wǎng)中的級別為基本站，位于克拉瑪依市環(huán)境科研監(jiān)測中心站辦公樓，監(jiān)測高度11m，采用高壓電離室探測器，每30s 記錄一個監(jiān)測數(shù)據(jù)。全年共有1051134 個數(shù)據(jù)，論文統(tǒng)計全年365 個日均值和和12 個月均值進(jìn)行研究。

2.2 統(tǒng)計分析方法

樣本數(shù)據(jù)為日均值和月均值，均采用算術(shù)平均值。

臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率的相關(guān)性分析方法[16-20]如下。

Pearson 函數(shù)計算環(huán)境空氣中臭氧濃度統(tǒng)計數(shù)據(jù)（Yi）和γ 射線空氣吸收劑量率統(tǒng)計數(shù)據(jù)（Xi）的線性相關(guān)系數(shù)，采用t 檢驗(yàn)法計算雙樣本等方差假設(shè)雙尾P 值進(jìn)行線性相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)；采用曲線擬合法得到一元線性回歸方程。

算數(shù)平均值計算公式：

Pearson 函數(shù)計算公式：

線性相關(guān)系數(shù)的t 檢驗(yàn)：

假定變量總體的線性相關(guān)系數(shù)為ρ，-1 ≤ρ ≤1，n 組樣本的線性相關(guān)系數(shù)為r。原假設(shè)H0：ρ=0。備擇假設(shè)H1：ρ ≠0。檢驗(yàn)統(tǒng)計量，在原假設(shè)H0為真時，t 服從T（n-2）分布。

3 結(jié)果

3.1 γ 射線空氣吸收劑量率

2017年全年γ 射線空氣吸收劑量率日均值波動較大，總體呈現(xiàn)出谷狀變化，最小值6月21日70.4 nGy/h，最大值12月5日83.2 nGy/h。5月到9月較低，其余月份較高。

圖1 2017年γ 射線空氣吸收劑量率日均值

γ 射線空氣吸收劑量率月均值的變化呈現(xiàn)出明顯的谷狀形態(tài)。最小值7月72.6 nGy/h，最大值12月79.0 nGy/h，均值75.4 nGy/h。

圖2 2017年γ 射線空氣吸收劑量率月均值

3.2 臭氧濃度

2017年全年臭氧濃度日均值呈現(xiàn)出明顯的年中高于兩端的峰狀，最大值7月28日157 μg/m3，最小值12月3日12 μg/m3。

圖3 2017年臭氧濃度日均值

臭氧濃度月均值呈現(xiàn)出尖峰形狀，不符合正態(tài)分布曲線，最大值7月128 μg/m3，最小值12月24 μg/m3，均值69 μg/m3。

圖4 2017年臭氧濃度月均值

3.3 線性相關(guān)系數(shù)與t 檢驗(yàn)結(jié)果

Pearson 函數(shù)計算全年的環(huán)境空氣中臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率日均值數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)，得到r=-0.737，t檢驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)的P 值小于0.01。

計算月均值Pearson 函數(shù)得到r=-0.942，t 檢驗(yàn)結(jié)果對應(yīng)的P 值為0.4657。

3.4 線性擬合結(jié)果

日均值線性擬合結(jié)果R2=0.5437。

圖5 日均值線性擬合

月均值線性擬合結(jié)果R2=0.8867。

圖6 月均值線性擬合

4 討論

綜合日均值數(shù)據(jù)和月均值數(shù)據(jù)的線性相關(guān)系數(shù)和線性擬合結(jié)果，可得出環(huán)境空氣中臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率兩個變量線性負(fù)相關(guān)程度較高的結(jié)論。

兩個變量可能存在因果關(guān)系，也可能受到共同的外部因素，如降水、濕度、光照等天氣狀況，太陽活動狀況和人為活動等的影響。

可以通過改進(jìn)分析方法進(jìn)一步研究環(huán)境空氣中臭氧濃度和γ 射線空氣吸收劑量率兩個變量的線性相關(guān)程度。