臭氧的前世今生

■文 / 王姣

不知道大家有没有留意，近年来的天气预报时常会见到臭氧污染的字眼。2019年，中国以臭氧为首要空气污染物的城市环境空气质量超标天数占总超标天数的41.8%，仅次于PM2.5占比（45%）。有研究发现，京津冀、长三角和珠三角等区域，臭氧超标天数已经超过PM2.5。以北京为例，2020年5月1日发生了近地面臭氧重度污染事件，下午短时内臭氧小时浓度一度突破每立方米300微克。而在香港，在过去的20年间，虽然其他污染物的浓度都在下降，但是臭氧污染的浓度几乎翻了一倍，在1998年，臭氧浓度是每立方米30微克，而在2019年，这个浓度达到每立方米54微克。有研究发现，在中国北部，臭氧浓度超标的天数从2014年的35天增加到2018年的56天，连续5天超标的天数在2014年占14.3%，而到了2018年，则增加到了66.1%。

臭氧是什么？臭氧污染是什么原因造成的？对健康有什么危害呢？

顾名思义，臭氧是氧气的同素异形体，和氧气的化学元素相同但是结构形态不同。在常温下，臭氧是一种有特殊臭味的无色气体。

图1 中国西安市和印度阿纳恩塔普尔市臭氧浓度

臭氧主要存在于大气层中的臭氧层，它能吸收太阳光中的紫外线。紫外线对皮肤有损伤作用，暴露在紫外线时间过多可能引起晒伤以及皮肤红肿。多亏有了臭氧层，97%-99%的紫外线辐射被臭氧层吸收，不会到达地表。

图2 北京空气质量

图3 全年中夏天的臭氧浓度最高

另一方面，一旦臭氧到了近地面，就会对人体健康产生一定的危害。世界卫生组织公布的空气质量参考指数建议安全臭氧浓度低于每立方米100微克（暴露在污染环境下8小时平均值）。世界各国的标准并不一致，例如欧盟和日本的标准都是120微克/立方米，美国标准是140微克/立方米，印度标准在100-180微克/立方米之间，中国的标准在100-160微克/立方米之间。当臭氧浓度较低时，会刺激和损害呼吸道，引起咳嗽；浓度增加时，会引发哮喘，同时刺激眼睛；浓度更高时，会引起头痛，胸痛，损害中枢神经系统，而且这些损伤往往是不可修复的。有研究者对1985-2015年的全球406个城市的臭氧浓度和死亡人数进行了分析，发现臭氧污染造成大约6200多人死亡，平均而言，臭氧浓度每增加10微克/立方米，死亡率增加0.18%。另一项2017年进行的研究发现，长期暴露在较高浓度的臭氧中导致全球50万人死亡。有研究发现，在印度，臭氧污染要对32%的呼吸系统疾病造成的死亡负责。所以在臭氧污染浓度较高时，民众应该尽量减少外出，避免长时间在户外停留。有些特定人群更容易受到臭氧污染的影响，包括青少年，65岁或以上的老年人，有已知肺部疾病的人群，例如哮喘，以及户外工作者。

图4 2010-2014年世界约5000个监测点在夏天的监测平均值

图5 臭氧的产生

除了对人体健康造成伤害外，臭氧浓度过高还对植物造成损伤，降低农作物产量，造成价值350亿美元的粮食减产，并且对全球温度升高有推动作用。

从季节来看，臭氧浓度过高经常发生在夏天，因为它“喜光怕雨爱高温”。不同于肉眼可见的PM2.5污染，即使天气看起来很好，蓝天白云，臭氧浓度也可能会超标。特别是夏日午后，气温最高，阳光强，是臭氧污染的高发时段。从一天的24小时来看，下午臭氧浓度较高。图1显示的是基于一年数据计算得到的中国西安市和印度的阿纳恩塔普尔市的24小时平均臭氧浓度，可以看出下午3点前后的臭氧浓度最高，清晨6点到9点之间的臭氧浓度最低。

到了秋天，臭氧的浓度会相对夏天下降许多。例如2020年9月中旬的夜晚，北京的臭氧浓度是18微克/立方米。

按照月份来看，全年中夏天的臭氧浓度最高，冬天浓度最低。

臭氧污染是个全球性的问题。就全世界而言，臭氧的分布并不平均。图4是2010-2014年全世界将近5000个监测点在夏天的监测平均值。美国西部和中部，欧洲南部，中国北部，日本大部分地区的臭氧浓度较高，加拿大，欧洲北部，澳大利亚东部的臭氧浓度较低。

臭氧不是直接由污染源排放，而是在阳光下于大气中产生的。石化、制药、印染、喷涂、化工等行业生产过程中会排放大量挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物， VOCs和氮氧化物等在光照下会释放出氧原子，这些氧原子与大气中的氧分子结合后形成臭氧。汽车尾气中的氮氧化物会有助于臭氧的产生。

针对臭氧产生的原因，可以相应采取一些措施来降低臭氧污染。例如墨西哥城的臭氧浓度曾经在500 ppb，后来该市从1995年开始采取了一系列的措施，包括小汽车限号，禁止含铅汽油，迁移一些工业到其他地方，这些措施实施后，该市的臭氧浓度大幅下降，降低到了120-150ppb。还有研究表明在城市地区种树可以降低臭氧浓度。

臭氧会随风移动，即使有些地区自身污染物较少，但是可能受到其他地区的污染物影响。例如，研究发现，中国北部的臭氧有36%来自东部省份，包括山东、河南、江苏和安徽，控制这些东部省份的污染将会帮助降低中国北部的臭氧污染。以香港为例，香港本地的工业相对较少，空气污染物主要来自广东地区。从2019年开始，珠江三角洲区域空气监测网络将把VOCs列入监测中，这个监测网络由香港、澳门和广东省共同合作。而广东省则会加强对13个产生VOCs的主要工业管控，其中包括石油化工、家具和印刷业。在美国，国家环境保护局成立了面向美国东部13个州的臭氧传输委员会，是一个针对区域性空气污染的合作机构。1991年美国和加拿大联合签署的空气质量协议则是两国合作降低空气污染的例子。

面对臭氧污染，有必要开展跨边界的区域性合作，协同治理，共同应对，建立起完善的臭氧污染治理体系。