臭氧：“地球保護傘”還是“隱形反派”

臭氧不是隔絕紫外線嗎？為何人類一邊害怕臭氧層空洞，一邊又在想方設(shè)法對付它？讓我們一起來看看臭氧身份是如何逆轉(zhuǎn)的。

1839年，臭氧在電解稀硫酸實驗中被首次發(fā)現(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)地表臭氧“有毒”之前，人們首先注意到了它對于生活的巨大作用。因此，直至20世紀很長一段時間，臭氧仍被自然學(xué)家看作是空氣中的有益部分。戶外工作者通常認為高海拔有益身心健康——因為那里臭氧含量足夠高。

隨著科學(xué)發(fā)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(fā)生巨大轉(zhuǎn)變。

污染與否，位置為準

在地球誕生40億年后，隨著大氣中氧含量增加，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，并將之轉(zhuǎn)化為熱能加熱大氣，才形成了距離地表10千米至50千米的平流層。

平流層在臭氧層的庇護下，地球生命的基礎(chǔ)物質(zhì)——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(xiàn)和發(fā)展。可以說，億萬年以前，臭氧層就開始充當?shù)厍蛏镞M化的“保護傘”“護航者”。

臭氧含量90%存在于平流層，對流層中僅含有10%。為什么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(xué)鍵，由于氧原子不穩(wěn)定性極強，剩下的一個氧原子會與另一個氧分子結(jié)合，就形成了臭氧——完完全全的“天然”產(chǎn)物。而到了對流層，除部分從平流層到對流層“漫游”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(zhuǎn)化產(chǎn)物”，如氮氧化物NOx、VOCs揮發(fā)性有機物等，它們是經(jīng)過復(fù)雜光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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，即成為臭氧污染。

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(zhèn)痛、提高機體免疫力、向缺血組織供氧等為代表的臨床應(yīng)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，也是部分因為少許氧氣在遭雷擊后轉(zhuǎn)變?yōu)榱顺粞?。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(jīng)系統(tǒng)到呼吸系統(tǒng)，從血液到骨骼，均會被它損害。

由于臭氧具有強氧化性，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(jiān)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(jīng)常使用的打印機、復(fù)印機等均會產(chǎn)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(dǎo)致中國臭氧污染增加11%；如果能將相關(guān)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(zhì)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(dǎo)作用。它控制著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(qū)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(fā)生光化學(xué)反應(yīng)需要強紫外輻射、高溫、低濕與靜穩(wěn)大氣環(huán)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(xué)反應(yīng)越劇烈，反應(yīng)生成的臭氧越濃。因而，夏日午后12時至15時是臭氧污染最嚴重的時間。

其實，臭氧污染并不是新現(xiàn)象，只是2012年以前，它著實被“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，隨著全國空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)的建立，臭氧污染這個名字才逐漸走進大眾視野。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(xué)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(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，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(xué)煙霧。臭氧作為光化學(xué)煙霧主要氧化劑，其濃度變化成為光化學(xué)煙霧警報依據(jù)。

1943年，美國第二大城市洛杉磯發(fā)生了全球最早的光化學(xué)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(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，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(xiàn)過光化學(xué)煙霧事件。

那么，隨著我國夏季臭氧濃度增加，會引發(fā)光化學(xué)煙霧嗎？總的來說，我國臭氧污染水平遠低于發(fā)達國家光化學(xué)煙霧事件頻發(fā)時期的歷史水平，且我國正在加強臭氧監(jiān)控、采取治理措施，對此生態(tài)環(huán)境部大氣環(huán)境司司長劉炳江認為：“當前，我國未出現(xiàn)光化學(xué)污染事件，未來發(fā)生的可能性也極低。”

沒有人能獨善其身

杜絕“光污染”事件發(fā)生，要從源頭抓起——可臭氧污染治理真的很難。由于前體物NOx與VOCs在臭氧生成的鏈式反應(yīng)中關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致其治理機制復(fù)雜。還有部分研究表明，PM2.5與臭氧是“此消彼長”。臭氧形成過程依賴于大氣自由基濃度，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(xiàn)PM2.5與臭氧的雙向治理要求很高。

此外，臭氧前體物來源復(fù)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(xié)同控制成為更大挑戰(zhàn)。

研究發(fā)現(xiàn)，新冠肺炎疫情期間，由于我國采取了嚴格管理措施，NOx比VOCs減少更多，城市成為VOCs控制區(qū)，再伴隨PM2.5減少，反而更容易使臭氧“超標”。全球范圍也是如此。由于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，在于城市新排放的NO是近地面臭氧消耗重要途徑。在“滴定效應(yīng)”影響下，發(fā)生了NO+O3→NO2+O2反應(yīng)。道路交通排放的NO就是消耗當?shù)爻粞醯姆N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(zhì)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(xiàn)臭氧污染，并非都是本地污染惹的禍。例如：珠三角地區(qū)夏季臭氧污染最少，秋季最多；長三角一帶為夏季最多，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(xiàn)象也可能會造成某一地點周期性短暫溫度連續(xù)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(zhì)從平流層傳輸?shù)綄α鲗樱ㄋ追QSTT）。此時，平流層的臭氧就會隨著空氣被帶到地表來“串門”了。由于STT經(jīng)常在中緯度發(fā)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(qū)就是對流層與平流層的物質(zhì)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(huán)流等方式，來影響區(qū)域?qū)α鲗映粞跫捌淝绑w物的時空分布形態(tài)。其中，跨歐洲的污染物途經(jīng)地中海、中東，可以影響東亞地區(qū)的空氣質(zhì)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(dǎo)致歐洲臭氧增加。因此，全球范圍大氣環(huán)流導(dǎo)致的跨區(qū)域輸送，注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(zhàn)，我們從未放棄。今年6月，《2020年揮發(fā)性有機物治理攻堅方案》發(fā)布，表明了我國對臭氧治理的決心；7月1日，《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》實施，打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，我們在行動。希望在攜手共建美好環(huán)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”。