環境空氣中臭氧變化規律及來源分析

【摘 要】本文通過廣州市番禺區轄區內環境空氣中臭氧濃度數據的歸納分析，初步得出臭氧的日變化規律及月變化規律。簡要的闡述環境空氣中臭氧的形成原因，找出臭氧的來源，并對降低地區臭氧濃度突出初步的建議。

【關鍵詞】臭氧；變化規律；形成原因；來源；降低；建議

1 臭氧的介紹

1.1 臭氧的基本信息

臭氧，化學式為O3，是氧氣的同素異形體。 臭氧主要存在于距地球表面20千米的同溫層下部的臭氧層中，含量約50ppm。它吸收對人體有害的短波紫外線，防止其到達地球，以屏蔽地球表面生物，不受紫外線侵害。在大氣層中，氧分子因高能量的輻射而分解為氧原子（O），而氧原子與另一氧分子結合，即生成臭氧。臭氧又會與氧原子、氯或其他游離性物質反應而分解消失，由于這種反復不斷的生成和消失，臭氧含量可維持在一定的均衡狀態。

1.2 臭氧的物理性質

物理性質方面，在常溫、常態、常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體，當濃度達到 15%時，呈現出淡藍色。臭氧可溶于水，在常溫常態常壓下臭氧在水中的溶解度比氧高約13倍，比空氣高25倍。一般情況下，臭氧在低層空氣中的含量極低，故分壓也極低。

1.3 臭氧的化學性質

臭氧很不穩定，在常溫常態常壓下即可分解為氧氣。臭氧、氯和二氧化氫的氧化勢（還原電位）分別是2.07、1.36、1.28伏特，可見臭氧是氧化力量很強的一種物質。臭氧的氧化作用導致不飽和的有機分子的破裂。使臭氧分子結合在有機分子的雙鍵上，生成臭氧化物。臭氧化物的自發性分裂產生一個羧基化合物和帶有酸性和堿性基的兩性離子，后者是不穩定的，可分解成酸和醛。

含量為 1 %以下的臭氧，在常溫常態常壓的空氣中分解半衰期為 16h 左右。隨著溫度的升高，分解速度加快，溫度超過 100℃ 時，分解非常劇烈，達到 270℃高溫時，可立即轉化為氧氣。

1.4 臭氧的毒性

臭氧屬于有害氣體，濃度為 0.3mg/m3時，對眼、鼻、喉有刺激的感覺；濃度 3～30mg/m3時，出現頭疼及呼吸器官局部麻痹等癥 ； 臭氧濃度為15～60mg/m3時 ， 則對人體有危害。其毒性還和接觸時間有關，例如長期接觸8mg/m3以下的臭氧會引起永久性心臟障礙，但接觸 20ppm 以下的臭氧不超過 2h ，對人體無永久性危害。因此，臭氧濃度的允許值定為 0.16g/m3（8h）。

2 番禺區環境空氣中臭氧濃度數據的統計分析

2.1 臭氧濃度統計

2013年伊始，番禺區的番禺市橋環境空氣自動監測子站（國控點，以下簡稱番禺市橋子站）開始對臭氧開展實時監測。一年下來，獲得了大量的臭氧濃度的數據。對這些數據進行了整理歸納和統計分析，得到一些初步的結論。

1）臭氧濃度的年分布分析

2）臭氧濃度的日變化趨勢

在一天內，臭氧的濃度變化幅度很大。一般的，臭氧濃度在晚上都處于一個很低的水平。隨著清晨太陽出來，溫度升高，臭氧濃度開始迅速升高，到午后達到峰值，然后逐漸降低。這個規律在一年里的其它季節和時間也得到很好的重復性。

3 臭氧來源分析

3.1 臭氧的來源

理論上，低層環境空氣中臭氧含量是非常非常低的。導致環境空氣中臭氧濃度的升高主要是二氧化氮在一定的光強下解離所致。

在一定的氣象條件以及光輻射下，空氣中的氮氧化物和揮發性有機物（如烴類）等物質發生反應，產生臭氧和其它有機物（如醛類）等。這些物質會造成空氣處于煙霧狀，這種現象稱為光化學煙霧。圖3為光化學煙霧的日變化曲線圖。

從圖3可以看出，在一定的氣象條件及光輻射下，臭氧的濃度早上八九時開始升高，午后十四時左右達到峰值后慢慢降低，至太陽下山入夜后便處于一個比較穩定的低值。將圖3和圖2進行對比，發現番禺區的臭氧日變化趨勢與理論曲線有著吻合的地方，但峰值出現的時間比理論曲線要晚一個小時左右。這個，可以推測為番禺區的臭氧并不全部由本地區產生，部分來源于外部環境空氣的輸送。

3.2 光化學煙霧的遷移特性

環境空氣中因一次污染物發生化學反應而形成光化學煙霧，是臭氧濃度升高的最主要原因。而光化學煙霧的生成，是一個緩慢的化學過程，這就導致了光化學煙霧的遷移特性。

太陽升起，隨著人類活動的活躍，環境空氣中的氮氧化物和揮發性有機物濃度增加。在太陽光的輻射下，氮氧化物和揮發性有機物形成化學反應鏈，形成光化學煙霧，生成臭氧和醛類等。在反應的過程中，由于風力的作用，這些二次污染物將往下風向遷移，這就是光化學煙霧的遷移特性。也就是說，某個地區臭氧濃度的升高，其主要原因是由其上風向數公里乃至數十公里的地方遷移過來的。

3.3 番禺區臭氧來源分析

仔細分析番禺區臭氧和二氧化氮的變化趨勢，對比光化學煙霧的日變化趨勢理論圖，可以初步推論，番禺轄區內本身所產生的光化學煙霧的量并不高，也就是說，番禺轄區內本身產生的臭氧不多。從現有的數據分析，我們有理由相信，造成番禺區臭氧濃度水平較高的主要原因，是上風向區域形成的光化學煙霧中的臭氧，通過區域大氣的流動，輸送到番禺轄區內。

番禺位于珠三角的中心，春夏以東南季風為主導風向，秋冬以北風為主導風向。春夏時，東莞和深圳的光化學煙霧將隨東南季風遷移到番禺；秋冬季節，廣州市區形成的臭氧又隨北風來到番禺的上空。因此，番禺區的臭氧在一年的大部分時間內都處于一個比較高的濃度水平。

4 降低番禺區臭氧濃度的措施及建議

根據臭氧的生成機制及區域輸送特點，提出如下幾條降低番禺轄區臭氧濃度的措施及建議。

4.1 限值機動車數量，提高油品質量

機動車尾氣排放是環境空氣中氮氧化物的主要來源。限制機動車的數量，特別是污染物排放量大的黃標車的數量，將有效降低氮氧化物的排放。另外，提升油品質量也是一種行之有效的方法。不同級別的油品在燃燒時產生的污染物的量有著較大的差別。因此，提升油品級別和質量，對減少污染物的排放將有著立竿見影的作用。

4.2 控制轄區內的揮發性有機物的排放

揮發性有機物是形成光化學煙霧的其中一個重要因素。因此，控制轄區內的揮發性有機物的排放量，可以有效的切斷光化學煙霧的反應鏈，降低臭氧的生成量。

4.3 形成大區域的協調機制，從全局全區域整體降低臭氧濃度

大氣環流輸送是番禺區臭氧濃度水平較高的一個重要組成部分。因此，想要達到降低番禺區域的臭氧濃度水平，必須形成一個以珠三角乃至廣東省為一體的區域協調機制，從全局的高度制定政策及措施來控制臭氧的生成和轉移。

4.4 完善臭氧的監測網絡，對臭氧濃度的變化開展更深入的監測

在2012版的國家標準《環境空氣質量標準》（GB3095-2012）中，臭氧被列入為環境空氣的主要污染物。目前，對臭氧的監測網絡還在逐步的完善中。加快臭氧監測網絡，特別是大區域的監測網絡的建立，加強臭氧濃度的數據掌握，為制定控制區域臭氧濃度的政策和措施提供科學有效的數據，這也是非常必要和重要的。

【參考文獻】

[1]戴樹桂，主編.環境化學[M].高等教育出版社，2006：78-99.

[責任編輯：楊玉潔]