高溫熱浪帶來的不只有酷熱，還有你看不見的臭氧污染

根據中國氣象局數據顯示，今年5月份全國高溫範圍為近50多年來最高記錄，高溫日數為次最高，總的來說今年的高溫天氣來的早，分布廣，而且根據50年數據來看，已經基本形成了高溫越來越早的趨勢。這裡既有人為排放溫室氣體促使全球變暖的大背景影響因素，也有自然本身因素。

高溫的危害是顯而易見的，據報道，截止5月中旬，浙江、江西、湖南等地出現了多個中暑和熱射病患者，這一方面體現了高溫之高，另一方面表現出高溫提前令人們準備不足。

高溫熱浪的另一個危害就是臭氧（O₃）污染。根據生態環保部門公布的監測數據顯示，去年5、6月份由於出現持續高溫，京津冀出現了較多的臭氧污染。今年5月期間，北京單站臭氧8小時滑動平均最高值279微克每立方米，小時均值最高值337微克每立方米，且都已有多次超標，有些站點甚至一個月有二分之一到三分之二的日數存在超標，全國367個監測臭氧的城市中共有252個城市出現八小時滑動平均濃度超標，超標率為68.7%，2016年全國338地級及以上城市中，全年86%（288個）出現臭氧污染超標現象，京津冀魯豫、長三角、珠三角和成渝地區為超標較集中的區域。這些區域近十年處於逐年上升趨勢，且京津冀地區漲幅居前。

圖1：2018年5月全國367個臭氧監測城市8小時滑動平均超標天數分布圖（數據來自生態環境部）

臭氧污染是怎麼來的？

大氣層中的臭氧有90%分布在離地面 20 km至50 km平流層高空，平流層臭氧生成是由來自太陽的紫外線，將一個氧氣分子分為兩個氧原子，然後每個氧原子和沒有分裂的氧氣分子合併生成三個氧原子組成的臭氧分子。臭氧分子不穩定還會分解、又合併形成動態平衡的臭氧層，臭氧對太陽輻射的紫外線有強烈的吸收作用，因此這層臭氧在高空保護地球生物免遭過量紫外線照射，是我們地球生物的保護傘（但有些敏感人群也會在坐飛機時感受到臭氧的刺激）。

但另外10%左右的臭氧存在於我們生活的對流層。在春季北半球會有一些來自平流層的臭氧向下輸送，但更多的對流層臭氧來自光化學反應。這部分對流層臭氧既是造成全球變暖的溫室氣體又是損害地球生物的有害污染氣體。我們目前所說的臭氧污染主要是對流層內的更貼近人類的近地層這部分有害的臭氧。

總的來說，人類活動直接排放的近地層臭氧的量微不足道，一般來自生活使用的激光印表機，靜電式空氣凈化器，有些使用臭氧發生器的消毒裝置等，僅對附近的使用者會產生一定健康危害。不過近年來廣泛採用的，利用高壓靜電或稱為等離子體技術類的餐飲油煙過濾裝置、工業揮發性有機物減排裝置將會產生過量的局地臭氧排放。

大量的近地層臭氧來自人類活動的間接排放。人類排放的工業廢氣及化石燃料的燃燒所排放的尾氣中含有大量氮氧化物和揮發性有機物。這些物質在特定的氣象條件下，如強烈日光、無風或微風時，經過一系列光化學反應生成了主要含臭氧、醛類以及多種過氧醯基硝酸酯的光化學污染物，其中臭氧含量占 90％。

因此，就像細顆粒物（PM2.5）是霧霾污染最主要的污染物，臭氧是光化學污染的首要污染物，也稱為示蹤物，也就是說發生了臭氧超標，表明還有其它的光化學污染產物伴隨產生，尤其是一些有機氣溶膠，這也是細顆粒物中的主要成分之一。簡單地說，對流層臭氧產生的三大主因為：氮氧化物，揮發性有機物和陽光。

臭氧有哪些危害？

高濃度臭氧對人體健康有較大影響，可導致中樞神經系統、肺功能和甲狀腺功能受損，組織缺氧、視力和視覺敏感度下降，引起胸悶咳嗽、咽喉腫痛及加重呼吸系統疾病惡化等危害。大量流行病學研究表明，長期吸入臭氧可增加哮喘、慢性阻塞性肺疾病發病率和死亡率增高。臭氧與其他空氣污染物，如細顆粒物、氮氧化物等共同作用對心血管系統的損害效果更加明顯。

臭氧很不穩定，具有強氧化性，本身有害的同時在空氣中還會參與很多化學反應，能與許多有機物和無機物發生反應，危害室內外材料、裝飾塗料和文物等，同時這些反應都會產生二次污染，二次污染物中都包含大量醛類化合物，因此二次污染物的刺激性更強，對人體和材料危害更嚴重。

隨著室外大氣臭氧超標，開窗換氣或通風設施主動通風，都會將臭氧傳入室內，由於室內牆面，傢具，生活、辦公用品等的構成的表面較多，臭氧在室內一般壽命很短，如果沒有持續的來源，幾分鐘到幾十分鐘內就會基本自行反應掉，但如果有持續的外界來源，將導致室內的臭氧持續超標，更複雜和有害的問題是在室內環境中存在某些揮發性有機物能夠與臭氧迅速反應，研究表明，有些室內甲醛就是臭氧與大多數室內不飽和碳氫化合物反應的主要產物，這些反應物還包括丙醛、己醛、丙酸和己酸，以及少量的乙醛，戊醛和壬醛等。

圖2 臭氧的危害（引用自：近地臭氧有何危害、如何應對？來源：《科技生活》周刊

https://www.cdstm.cn/gallery/kjzd/201707/t20170725_536795.html）

如何進行臭氧污染的防護？

在陽光強烈的夏季，我們應該更多關注來自環保部門公布的環境監測數據，在出現臭氧超標的時候注意個人防護。由於臭氧本身化學活性強，和大多數表面都會發生分解、氧化反應，只是分解速率取決於溫度，濕度，接觸材料和停留時間，因此在室外臭氧超標時，可以減少室外通風並開啟空氣凈化器，空氣凈化器能增加臭氧與各種表面接觸的次數與時間，尤其是目前很多凈化器裝有活性炭濾網，降低臭氧濃度的效率更高，但也要注意有些高壓靜電式凈化器本身就會釋放臭氧，應確保其具備臭氧過濾網，且不會在數小時使用過程中被飽和穿透。

由於即便是防護細顆粒物的口罩也不是靠更小孔徑截留顆粒物，而是靠加駐了靜電的纖維網通過電極吸附原理去除的，那麼自然對臭氧分子也有一定吸附作用和表面分解作用，當然比表面積更大的活性炭材料具有更高的效率，也就是說對於敏感人群，在臭氧超標的室外活動佩戴口罩是有效的，只是不同的材質，器型配合等導致效率不同。

如何進行臭氧污染治理？

近地層臭氧污染問題也是世界性的難題，在著名的化學煙霧事件曾經爆發的洛杉磯，這些年來依然處於美國臭氧濃度排行榜前列。

據當地研究表明，洛杉磯居民由於長期呼吸具有臭氧污染的空氣，預計2011年有 100 萬成年人和30萬兒童患哮喘病，造成約高達26億美元的經濟損失。臭氧污染也是歐盟成員國最主要的空氣污染問題。

據報道，因臭氧污染問題，歐盟居民人均壽命減少了8個月，歐盟每年因臭氧污染問題死亡人數超過2000例，有60％的人在臭氧濃度超標的環境中暴露過。歐盟監測臭氧的國家中污染主要集中在法國、義大利、葡萄牙和西班牙，該區域臭氧污染水平高與該地區夏季高溫熱浪與機動車排放有直接關係。全球熱點地區人口與經濟、消費持續增長，更多的能源消耗就要排放更多臭氧前體物，臭氧污染會不斷加劇。

美國奧巴馬政府曾為了保護經濟增長寬鬆了臭氧濃度的限制標準，但歐美髮達國家的標準仍比我國現階段標準嚴格。相比於歐盟的臭氧最大8小時平均值120微克/立方米、世界衛生組織（WHO）最大8小時平均值100微克/立方米的標準，我國為160微克/立方米。

近地層臭氧在我國各大城市一般存在明顯的季節變化和日變化形態，即夏秋季出現峰值，但有些地區入夏後降水增多，就表現為夏中期間有谷值，初夏和秋季雙峰形形態，日變化一般都是較為規律的正弦波形態，午後出現峰值，但遠郊區因為傳輸、污染源分布以及邊界層變化原因也會出現峰值拖尾甚至雙峰形態。

因為臭氧是間接產物，治理只能是減少它的原料，其難處在於我們目前的大氣環境處於一種大氣中臭氧的產生原料非常充足且源源不斷，只要氣象條件合適，馬上就達到污染狀態，近期北方地區普遍的臭氧污染就是高溫提前到來，滿足了高濃度臭氧的產生條件。又因為臭氧為非線性反應的產物，因此原料減排並不直接對應污染物濃度降低，有時反而減排導致污染物濃度上升。

臭氧的原料，如前述為氮氧化物與揮發性有機物，也稱為前體物，這兩項前體物來源十分廣泛，城市中的氮氧化物主要來自機動車尾氣、化石燃料燃燒，工業生產過程。揮發性有機物來源主要有汽車噴塗、印刷廠油墨揮發、加油站油氣揮發、化工廠煉油過程油氣揮發、溶劑使用等等。除了人為源，氮氧化物有來自土壤生態系統的自然源，揮發性有機物有來自森林植被等的自然源。

「大氣十條」實施以來，全國氮氧化物減排量達到569萬噸，但揮發性有機物污染防治仍處於起步階段，存在排放基數不清、治理措施不利、監測能力不足、標準缺失以及法規滯後等問題，目前全國的揮發性有機物排放量依然呈增長趨勢。尤其是目前對於氮氧化物的人為源減排較多，但揮發性有機物人為源減排較少、其自然源減排尚無涉及，這恰恰形成了臭氧更易生成的配比，導致臭氧濃度增高。因為臭氧生成量和生成速率不僅與氮氧化物、揮發性有機化合物的濃度有關，還與其配比值有很強的非線性關係。在低氮氧化物條件下，即氮氧化物控制區，臭氧濃度隨氮氧化物的增加而增加，而揮發性有機物濃度改變對臭氧影響不大；在高氮氧化物條件下即揮發性有機物控制區，氮氧化物的降低會引起臭氧濃度的上升，揮發性有機物的增加會使臭氧濃度升高，目前我國大部分地區處於揮發性有機物控制區。

當前我國揮發性有機物治理水平和技術還不太成熟，表現為減排效率高的燃燒類設施成本很高，稍有不慎還會增加氮氧化物排放；成本較低的方法裝置往往效率很低，甚至還會直接排放臭氧，如前所述的高壓用電式裝置。要有所側重，研究表明揮發性有機物里的烯烴和芳香烴是對臭氧生成更加有活性和關鍵的種類，因此要針對高活性的揮發性有機物應該優先進行減排，優先研發、選用減排效率高且無二次污染物的技術方法。

圖3人工高壓用電裝置產生臭氧原理（圖片來源：http://www.11ozone.com/jishuwenxian/7.html）

還需要提醒大家，研究結果表明，即便是不超空氣質量標準的少量的臭氧對人體健康依然存在潛在的危害。尤其是對於每天在室外工作數小時的人群來說，即使臭氧濃度低於較嚴格的環境空氣質量標準，也會對肺功能造成負面影響。因此在經濟、技術條件允許的情況下，儘可能降低空氣中的臭氧濃度應該是我們追求的大氣環境優化目標。

（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

出品：科普中國

製作：中國科學院大氣物理研究所 孫揚

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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