亦正亦邪的臭氧

王恩眷

臭氧，因臭氧層而被人們所熟知：位于地球上層大氣中的臭氧層不斷吸收太陽輻射中有害的紫外線，使人類和地球上的動植物免受傷害，被譽為地球的“保護傘”。20世紀80年代起，當科學家觀測到這把“保護傘”在南極上空出現了“空洞”時，所有人都為之擔憂，一時間，南極臭氧空洞取代了企鵝，成為南極新的代名詞。而近年來，劇情又發生了大反轉，各種觀測和研究發現：臭氧，原本待在“天上”默默守護地球的“天使”，不僅來到了我們身邊，還成了危害人類健康的“反派”，亦正亦邪的臭氧到底經歷了怎樣的轉變？我們又該如何應對呢？

“我”和氧氣其實是一家人

人類開始認識臭氧始于19世紀，1839年，德裔瑞士化學家克里斯蒂安 · 弗雷德里克 · 舍拜恩在電解稀硫酸時，發現有一種特殊臭味的氣體釋放出，他提出這種臭味同自然界閃電后產生的氣味相同，并為它取名為“Ozein”（希臘語，意為“臭味”），后來的科學家研究后發現這種氣體的分子結構是3個結合在一起的氧原子，最終將其命名為臭氧（Ozone）。臭氧分子結構的發現也表明了臭氧是氧氣的“孿生兄弟”，它們在一定的條件下可以相互轉化。1913年，法國物理學家法布里通過光學和光譜學的研究，最終成功地證明了高層大氣中臭氧的存在。

在此基礎上，英國地球物理學家卡普曼又解釋了臭氧層的形成，他提出：大氣中的臭氧主要是由氧原子同氧分子進行三體碰撞（三個質點同時在同一地點相碰的現象）而產生。在60千米以上的高空，由于太陽紫外線強，氧分子大量離解，三體碰撞機會減少，導致臭氧含量極少。而在5千米以下的低空，紫外線大大減弱，氧原子很少，臭氧也難以形成。只有在20～25千米的高度范圍內，既有足夠的氧原子，又有足夠的氧分子，最有利于三體碰撞出臭氧。

臭氧層位于地球大氣的平流層中

臭氧層會吸收大部分紫外線

3毫米的“保護傘”究竟有何用

在離地面20～25千米高度處的大氣層，因為大量臭氧聚集在此，因此形成了臭氧層。如果在0℃的溫度下，把地球大氣層中所有的臭氧壓縮到一個標準大氣壓（1013.25百帕），那么臭氧層的平均厚度僅僅只有3毫米，對于整個大氣層高度來說，占比更是只有幾千萬分之一。這薄薄的臭氧層究竟有什么作用呢？

我們知道，太陽輻射能量巨大，太陽輻射出的紫外線（按照波長由長到短）包括紫外線A、紫外線B和紫外線C，也就是我們常說的UVA、UVB、UVC。其中波長最短、蘊含能量最大、對皮膚等傷害最大的就是UVC，而臭氧層恰恰會把UVC全部吸收，阻隔在地球以外。它同時還會吸收大部分的UVB，最終就是這“薄薄”的臭氧層阻絕了97%～99%的紫外線輻射，使地球上的人類和動植物免受傷害，真是名副其實的“保護傘”。

1985年，當科學家發現臭氧層在南極上空出現了“空洞”時，人們開始深刻地意識到保護臭氧層就是保護地球生命。1995年1月23日聯合國大會決定，把每年的9月16日定為“國際保護臭氧層日”，意在通過相關活動來喚醒公眾對保護臭氧層的認知。

臭氧：是“天使”也是“反派”

整個地球大氣中的臭氧，絕大多數（約占90%）存在于高空大氣的臭氧層中，這里的臭氧默默守護著地球上的生命，是“保護傘”、是“天使”。可是還有約10%的臭氧存在于近地面層，也就是我們人類生活的這個空間。在這里，臭氧不再是“天使”，而可能變成一種污染，危害人類健康。

臭氧是如何來到地面的呢？又是如何變成一種污染的呢？

其實，我們身邊的臭氧，只有少量是由高空大氣中“逃逸”而來，絕大部分還是人類的生產生活造成的。汽車尾氣、工業化工等排放的氮氧化物（NOx）和日常生活中的各種揮發性有機物（VOCs），正是形成臭氧污染的源頭。NOx和VOCs遇到高溫和強光照時，經過一系列復雜的光化學反應，都容易形成臭氧。當臭氧大量形成，濃度超過一定限值，就會成為危害人類健康的“臭氧污染”，又稱為光化學煙霧。

低溫下溶解在二氯甲烷中的臭氧呈淡藍色（圖片來源/維基百科）

據統計，2016年中國338個地級及以上城市中，86%（288個）出現臭氧污染超標現象。生態環境部最新發布的《2019中國生態環境狀況公報》顯示，2019年中國337個地級及以上城市臭氧濃度達到148微克/立方米，以臭氧為首要污染物的超標天數占超標總天數的41.8%（該占比在2015年為16.9%），僅次于占比45%的PM2.5（細顆粒物）。

夏季晴空下的“隱形天氣反派”

臭氧作為一種氣體污染，不容易被察覺，很容易“傷人于無形”，可以說是“隱形的反派”。但它的“行蹤”還是有跡可循的。從全年來看，臭氧污染的出現，一般在晴朗少云的春末以及夏秋季。從每年的4月份開始，一直持續到10月份，其中6～8月濃度較高。有助于臭氧污染形成的天氣條件主要有：高溫、晴朗少云、干燥、少風，這些天氣條件可以總結成：“熱、曬、干、靜”這四個字。晴朗少云和干燥的天氣，都容易出現強光照;而少風或者無風，有利于臭氧的積累和濃度升高。一天之中，一般來說，從早上開始，隨著氣溫升高，紫外線輻射增強，臭氧濃度不斷增加，在中午2點到下午6點濃度最高，之后隨著輻射減弱，臭氧濃度逐漸降低。

中國幅員遼闊，南北方氣候差異大，各地臭氧濃度的四季變化不盡相同。在北方芒種時節（6月5日—20日）很容易集“熱、曬、干、靜”這四種天氣于一身。在南方的夏季尤其是發生“伏旱”（不下雨干旱的三伏天）時，臭氧污染也容易產生。而在初秋，隨著中國南北方降雨的減少，秋高氣爽的天氣開始盛行，中午到下午還是有些熱，碧空如洗的大氣由于透明度高，所以依然要防范臭氧這一隱形的健康反派。

由于臭氧污染是氣體污染，因此，通過戴口罩的方式基本起不到有效的防護，最好的方式便是主動躲避，在夏季和初秋晴朗的中午到下午，盡量待在屋里，少出門，窗戶也少開，因為開窗戶臭氧容易趁虛而入。在有打印室、計算機房等設備的房間工作本身就容易產生臭氧污染，因此，這樣的房間要保持通風。

臭氧污染氣象預報

近年來，隨著人們對臭氧污染的認識和重視，氣象部門開始將臭氧污染預報加入到空氣污染預報業務中來。2018年6月1日，《全國臭氧氣象預報業務規范》正式印發并實施。按照這個規范，每年5月至10月，氣象部門會開展臭氧氣象預報，包括臭氧污染區域預報和臭氧濃度站點預報。當臭氧成為首要污染物，而且達到輕度甚至更高程度的污染級別時，預報圖上會標注“光化學煙霧”符號（由3個藍色句號組成的三角形標志）。

?中午2點到下午6點臭氧濃度最高（圖片來源 / 中國天氣）

減少臭氧污染，控制污染源是關鍵。面對臭氧污染，國家和社會已經把PM2.5和臭氧的協同控制納入了國民經濟和社會發展的“十四五”規劃（2021-2025年）當中。青少年作為國家的未來和社會的一份子，也需要一起為清潔空氣貢獻一點自己的力量，為了大家有更好的生存環境，抵制臭氧污染，請大家遵循以下原則：

（1）多向周圍的人宣傳臭氧污染的相關知識，推廣綠色生活理念。

（2）節約用電，夏季空調溫度的設定不要太低。

（3）綠色出行，公交、自行車、步行，環保又健康。

（4）日常生活中少用包裝劣質和帶有嚴重揮發性氣味的日化用品。

（5）提醒父母家居裝修時多選擇水性環保涂料，汽車加油時選擇更清潔的汽油。

?2020年全國空氣污染氣象條件預報圖（圖片來源/中國氣象局）

延伸閱讀

“黑斑效應”紫外線與“紅斑效應”紫外線

到達地球表面的紫外線中95%以上是UVA，UVA又稱為“黑斑效應”紫外線，是令皮膚曬黑的主要原因，同時也是引起皮膚癌（黑色素瘤等）的重要原因，它具有很強的穿透力，能直達皮膚真皮層，破壞膠原蛋白，加速皮膚老化。UVB又稱為“紅斑效應”紫外線，它能讓皮膚在短時間內曬紅、曬傷（即時曬傷），使皮膚角質增厚、暗沉等。相比UVA，UVB的穿透力弱，一般只是到達皮膚表皮層，而且目前對UVB的防護已經得到徹底的研究，因此UVB更容易防護。

知識鏈接

臭氧污染的危害

臭氧作為一種強氧化劑，對人類健康的影響主要體現在眼睛、呼吸系統和神經系統上。高濃度臭氧（≥200微克/立方米）會刺激眼睛和呼吸道，此時人們往往會感覺空氣“辣眼睛”和“嗆鼻”。在這樣的空氣中停留，容易引起咽喉腫痛、胸悶咳嗽，引發支氣管炎和肺氣腫，造成頭暈、頭痛、惡心、視力下降、記憶力衰退等生理反應。臭氧還會對人體皮膚中的維生素E起到破壞作用，致使人的皮膚起皺、出現黑斑，還會破壞人體的免疫機能，誘發淋巴細胞染色體病變，加速衰老。

另外，高濃度臭氧會讓植物的葉綠素、類紅葉素和碳水化合物濃度降低，對光合作用產生影響，從而降低農作物的產量。