臭氧亦正亦邪?为何这么说?

2021年01月20日
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2025千米的高度范围内,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。
3毫米的“保护伞”究竟有何用
在离地面2025千米高度处的大气层,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”,意在通过相关活动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。
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)。
来源:知识就是力量公众号