亦正亦邪的臭氧

王恩眷

臭氧，因臭氧层而被人们所熟知：位于地球上层大气中的臭氧层不断吸收太阳辐射中有害的紫外线，使人类和地球上的动植物免受伤害，被誉为地球的“保护伞”。20世纪80年代起，当科学家观测到这把“保护伞”在南极上空出现了“空洞”时，所有人都为之担忧，一时间，南极臭氧空洞取代了企鹅，成为南极新的代名词。而近年来，剧情又发生了大反转，各种观测和研究发现：臭氧，原本待在“天上”默默守护地球的“天使”，不仅来到了我们身边，还成了危害人类健康的“反派”，亦正亦邪的臭氧到底经历了怎样的转变？我们又该如何应对呢？

“我”和氧气其实是一家人

人类开始认识臭氧始于19世纪，1839年，德裔瑞士化学家克里斯蒂安 · 弗雷德里克 · 舍拜恩在电解稀硫酸时，发现有一种特殊臭味的气体释放出，他提出这种臭味同自然界闪电后产生的气味相同，并为它取名为“Ozein”（希腊语，意为“臭味”），后来的科学家研究后发现这种气体的分子结构是3个结合在一起的氧原子，最终将其命名为臭氧（Ozone）。臭氧分子结构的发现也表明了臭氧是氧气的“孪生兄弟”，它们在一定的条件下可以相互转化。1913年，法国物理学家法布里通过光学和光谱学的研究，最终成功地证明了高层大气中臭氧的存在。

在此基础上，英国地球物理学家卡普曼又解释了臭氧层的形成，他提出：大气中的臭氧主要是由氧原子同氧分子进行三体碰撞（三个质点同时在同一地点相碰的现象）而产生。在60千米以上的高空，由于太阳紫外线强，氧分子大量离解，三体碰撞机会减少，导致臭氧含量极少。而在5千米以下的低空，紫外线大大减弱，氧原子很少，臭氧也难以形成。只有在20～25千米的高度范围内，既有足够的氧原子，又有足够的氧分子，最有利于三体碰撞出臭氧。

臭氧层位于地球大气的平流层中

臭氧层会吸收大部分紫外线

3毫米的“保护伞”究竟有何用

在离地面20～25千米高度处的大气层，因为大量臭氧聚集在此，因此形成了臭氧层。如果在0℃的温度下，把地球大气层中所有的臭氧压缩到一个标准大气压（1013.25百帕），那么臭氧层的平均厚度仅仅只有3毫米，对于整个大气层高度来说，占比更是只有几千万分之一。这薄薄的臭氧层究竟有什么作用呢？

我们知道，太阳辐射能量巨大，太阳辐射出的紫外线（按照波长由长到短）包括紫外线A、紫外线B和紫外线C，也就是我们常说的UVA、UVB、UVC。其中波长最短、蕴含能量最大、对皮肤等伤害最大的就是UVC，而臭氧层恰恰会把UVC全部吸收，阻隔在地球以外。它同时还会吸收大部分的UVB，最终就是这“薄薄”的臭氧层阻绝了97%～99%的紫外线辐射，使地球上的人类和动植物免受伤害，真是名副其实的“保护伞”。

1985年，当科学家发现臭氧层在南极上空出现了“空洞”时，人们开始深刻地意识到保护臭氧层就是保护地球生命。1995年1月23日联合国大会决定，把每年的9月16日定为“国际保护臭氧层日”，意在通过相关活動来唤醒公众对保护臭氧层的认知。

臭氧：是“天使”也是“反派”

整个地球大气中的臭氧，绝大多数（约占90%）存在于高空大气的臭氧层中，这里的臭氧默默守护着地球上的生命，是“保护伞”、是“天使”。可是还有约10%的臭氧存在于近地面层，也就是我们人类生活的这个空间。在这里，臭氧不再是“天使”，而可能变成一种污染，危害人类健康。

臭氧是如何来到地面的呢？又是如何变成一种污染的呢？

其实，我们身边的臭氧，只有少量是由高空大气中“逃逸”而来，绝大部分还是人类的生产生活造成的。汽车尾气、工业化工等排放的氮氧化物（NOx）和日常生活中的各种挥发性有机物（VOCs），正是形成臭氧污染的源头。NOx和VOCs遇到高温和强光照时，经过一系列复杂的光化学反应，都容易形成臭氧。当臭氧大量形成，浓度超过一定限值，就会成为危害人类健康的“臭氧污染”，又称为光化学烟雾。

低温下溶解在二氯甲烷中的臭氧呈淡蓝色（图片来源/维基百科）

据统计，2016年中国338个地级及以上城市中，86%（288个）出现臭氧污染超标现象。生态环境部最新发布的《2019中国生态环境状况公报》显示，2019年中国337个地级及以上城市臭氧浓度达到148微克/立方米，以臭氧为首要污染物的超标天数占超标总天数的41.8%（该占比在2015年为16.9%），仅次于占比45%的PM2.5（细颗粒物）。

夏季晴空下的“隐形天气反派”

臭氧作为一种气体污染，不容易被察觉，很容易“伤人于无形”，可以说是“隐形的反派”。但它的“行踪”还是有迹可循的。从全年来看，臭氧污染的出现，一般在晴朗少云的春末以及夏秋季。从每年的4月份开始，一直持续到10月份，其中6～8月浓度较高。有助于臭氧污染形成的天气条件主要有：高温、晴朗少云、干燥、少风，这些天气条件可以总结成：“热、晒、干、静”这四个字。晴朗少云和干燥的天气，都容易出现强光照;而少风或者无风，有利于臭氧的积累和浓度升高。一天之中，一般来说，从早上开始，随着气温升高，紫外线辐射增强，臭氧浓度不断增加，在中午2点到下午6点浓度最高，之后随着辐射减弱，臭氧浓度逐渐降低。

中国幅员辽阔，南北方气候差异大，各地臭氧浓度的四季变化不尽相同。在北方芒种时节（6月5日—20日）很容易集“热、晒、干、静”这四种天气于一身。在南方的夏季尤其是发生“伏旱”（不下雨干旱的三伏天）时，臭氧污染也容易产生。而在初秋，随着中国南北方降雨的减少，秋高气爽的天气开始盛行，中午到下午还是有些热，碧空如洗的大气由于透明度高，所以依然要防范臭氧这一隐形的健康反派。

由于臭氧污染是气体污染，因此，通过戴口罩的方式基本起不到有效的防护，最好的方式便是主动躲避，在夏季和初秋晴朗的中午到下午，尽量待在屋里，少出门，窗户也少开，因为开窗户臭氧容易趁虚而入。在有打印室、计算机房等设备的房间工作本身就容易产生臭氧污染，因此，这样的房间要保持通风。

臭氧污染气象预报

近年来，随着人们对臭氧污染的认识和重视，气象部门开始将臭氧污染预报加入到空气污染预报业务中来。2018年6月1日，《全国臭氧气象预报业务规范》正式印发并实施。按照这个规范，每年5月至10月，氣象部门会开展臭氧气象预报，包括臭氧污染区域预报和臭氧浓度站点预报。当臭氧成为首要污染物，而且达到轻度甚至更高程度的污染级别时，预报图上会标注“光化学烟雾”符号（由3个蓝色句号组成的三角形标志）。

 中午2点到下午6点臭氧浓度最高（图片来源 / 中国天气）

减少臭氧污染，控制污染源是关键。面对臭氧污染，国家和社会已经把PM2.5和臭氧的协同控制纳入了国民经济和社会发展的“十四五”规划（2021-2025年）当中。青少年作为国家的未来和社会的一份子，也需要一起为清洁空气贡献一点自己的力量，为了大家有更好的生存环境，抵制臭氧污染，请大家遵循以下原则：

（1）多向周围的人宣传臭氧污染的相关知识，推广绿色生活理念。

（2）节约用电，夏季空调温度的设定不要太低。

（3）绿色出行，公交、自行车、步行，环保又健康。

（4）日常生活中少用包装劣质和带有严重挥发性气味的日化用品。

（5）提醒父母家居装修时多选择水性环保涂料，汽车加油时选择更清洁的汽油。

 2020年全国空气污染气象条件预报图（图片来源/中国气象局）

延伸阅读

“黑斑效应”紫外线与“红斑效应”紫外线

到达地球表面的紫外线中95%以上是UVA，UVA又称为“黑斑效应”紫外线，是令皮肤晒黑的主要原因，同时也是引起皮肤癌（黑色素瘤等）的重要原因，它具有很强的穿透力，能直达皮肤真皮层，破坏胶原蛋白，加速皮肤老化。UVB又称为“红斑效应”紫外线，它能让皮肤在短时间内晒红、晒伤（即时晒伤），使皮肤角质增厚、暗沉等。相比UVA，UVB的穿透力弱，一般只是到达皮肤表皮层，而且目前对UVB的防护已经得到彻底的研究，因此UVB更容易防护。

知识链接

臭氧污染的危害

臭氧作为一种强氧化剂，对人类健康的影响主要体现在眼睛、呼吸系统和神经系统上。高浓度臭氧（≥200微克/立方米）会刺激眼睛和呼吸道，此时人们往往会感觉空气“辣眼睛”和“呛鼻”。在这样的空气中停留，容易引起咽喉肿痛、胸闷咳嗽，引发支气管炎和肺气肿，造成头晕、头痛、恶心、视力下降、记忆力衰退等生理反应。臭氧还会对人体皮肤中的维生素E起到破坏作用，致使人的皮肤起皱、出现黑斑，还会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老。

另外，高浓度臭氧会让植物的叶绿素、类红叶素和碳水化合物浓度降低，对光合作用产生影响，从而降低农作物的产量。