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疫情隔离期间,天变蓝了,为什么臭氧污染反而更严重了?

来源:科普中国 作者:Liz 发布时间:2020-06-10 13:48:55 浏览次数: 【字体:

6月5日是世界环境日。2020年的世界环境日主题是“关爱自然,刻不容缓” (Time for Nature)。

当然,还有很多环境问题同样需要关注,比如臭氧污染。

自2020年初新冠疫情爆发以来,世界多个国家先后发布了社会隔离政策。人类活动减少不仅阻断了疫情,还带来了意想不到的好处:噪声明显减少,野生动物出来溜达,连空气污染指数也大幅降低了。

封城前后我国大气NO2排放情况对比。左图为封城前(1月20日),右图为封城后(2月25日) | NASA

但是各位也不要过于乐观,因为有另一种空气污染物异军突起,在社会隔离期间反而增加了。它的名字叫作“臭氧”。

亦“正”亦“邪”的臭氧

说到这儿,有人可能要问了:不是说臭氧层是地球生命的保护伞么?怎么现在又说臭氧是空气污染物呢?

这个问题要解释起来也很简单:臭氧是好是坏,得看它在大气的哪一层。

我们常说的臭氧层位于距离地球20km以上的平流层,这一层发生着氧气分子与臭氧分子的相互转化。在臭氧分子合成又降解的过程中,致命波段(100−315 nm)的紫外线被消耗,使地球上的生物们得以生存。

臭氧层(ozone layer)位于平流层 | 中国环境网

臭氧污染则发生在最接近地球表面的对流层,弥散在我们周围,混杂在每个人呼吸的空气之中。对流层的臭氧污染主要来自于氮氧化物(NOX)和挥发性有机物(VOCs)在阳光下的化学反应,通常出现在晴朗少云的春末和夏秋两季。

地表臭氧的破坏力极强。从结构上看,臭氧分子(O3)只比氧气分子(O2)多一个氧原子。但是这个氧原子非常不稳定,导致臭氧在常温下极易分解。臭氧分解产生的氧原子具有强氧化能力,不仅能够破坏细胞膜,让蛋白质失活,还能降解DNA和RNA,对细胞进行全方位打击。

环境中高浓度的臭氧会强烈刺激我们的眼睛和呼吸道粘膜,诱发呼吸道疾病,还会导致皮肤老化和过早死亡。1943年7月美国洛杉矶市首次观测到光化学污染时,许多市民表示感觉到“双眼刺痛,呼吸时喉咙像被刮擦过一样”,误以为遭到了日军的毒气袭击;1952年12月的一次光化学烟雾事件中,洛杉矶市甚至有400多名65岁以上的老人因臭氧污染死亡。

臭氧污染可能带来的健康威胁(橙色指示)包括过早死亡,损害幼儿生长发育和成人组织再生,诱发肺癌及多种呼吸道、心血管疾病 | 美国肺协会(www.lung.org)/ 汉化:Liz

臭氧污染对植物也存在不利影响。臭氧的氧化作用会抑制植物的光合作用,甚至导致植物叶片出现坏死的病斑或被漂白的迹象,最终造成农作物和森林的减产。据估计,仅2015年一年,臭氧污染导致我国主要农作物和森林的产量损失就高达186亿美元和522亿美元[2]。

北京地区常见植物叶片的臭氧损伤症状(1. 臭椿;2. 葎叶蛇葡萄;3. 大叶白蜡树;4. 白皮松;5. 刺槐;6. 木槿;7. 刀豆;8. 豇豆;9. 冬瓜;10. 丝瓜;11. 西瓜;12. 葡萄) | 参考文献[3]

能不能把地表的臭氧送到平流层?

许多年来,国内外媒体一直在报道平流层臭氧层空洞的严重性。既然现在对流层面临臭氧污染问题,那么把地表的臭氧送上天去填补臭氧层空洞,岂不是一举两得?

这个提议乍一听似乎有点道理,可惜事实上根本行不通。

臭氧在大气中所占比例极低,北京臭氧浓度超标的峰值也才不到290 ppb [4],即一亿分之二十九,想要在对流层收集臭氧无异于大海捞针。即便能收集,臭氧极容易分解的特性,也会让储存和运输变得异常困难。另一方面,臭氧层空洞扩大的根本原因是飘逸到平流层的氯氟烃催化臭氧大量分解,因此只要还有人偷偷排放氯氟烃,破坏臭氧层,即使把地表的臭氧都送到对流层也只是杯水车薪。

一个氯氟烃分子能破坏成千上万个臭氧分子 | dynamicscience.com.au

所以虽然愿望很美好,但是地表臭氧污染和臭氧层空洞是不可能用一套办法解决的。

为啥疫情期间臭氧浓度不降反升?

令人困惑的是,疫情期间,当社会减少了能生成臭氧的氮氧化物(NOx)的排放,为什么臭氧浓度反而升高了?

其实,这其中的原理在学界早有解释:与人类活动直接排放的NOx和PM 2.5等空污染物不同,地表臭氧是由多种空气污染物,经过复杂的化学反应生成的二次污染物,因此环境变化对臭氧污染的影响会更难以预测。

这个复杂的化学反应的生成物,不止是臭氧,还有NO。而NO又会快速和臭氧反应并将其分解。那么既然臭氧在生成后,又会很快被消耗掉,空气中的臭氧是如何积累的呢?

这主要是因为挥发性有机物VOCs,它们一边能与NO反应,阻止其分解臭氧,一边又可以促进臭氧的生成。

地表臭氧生成的机制有点复杂,随便感受一下就好 | 参考文献[4]

由于这些复杂的过程,当人类排放的NOx浓度降低,减少的NO浓度使得臭氧分解的速率变慢了。而且隔离期间,人类在庭院和花园的活动增加,极有可能导致VOCs浓度上升,促进臭氧的积累。

另外,科学家们推测PM 2.5减少之后,没有雾霾阳光便可以更容易地穿透空气,为地表臭氧生成提供了更多的能量。因此,虽然近年来我国PM 2.5治理颇见成效,但雾霾的减少却导致了臭氧污染进一步加重[5]。

疫情期间武汉的臭氧浓度不降反升。蓝色曲线代表2020年数据,红色曲线代表2017−2019年平均数据,红色竖线代表2020年社会隔离开始时间 | 参考文献[1] / 改编:Liz

由此可见,粗暴而单一地禁止某一污染物的排放,治理效果有限,有时甚至会起到反作用。目前,各地臭氧污染治理措施正在逐步展开,主要策略就是推进NOX和VOCs的协同减排,实现臭氧污染和PM 2.5的协同控制。

作为个人,日常生活中的一些行动也能为臭氧污染治理助力。例如,选择绿色出行,购买新能源汽车或者低排量的汽车,尽量避免在阳光强烈的午后开车,让汽车保持合适的胎压以降低油耗,使用环境友好型的油漆、颜料等等。这些行动都有助于减少NOX和VOCs的排放,阻止臭氧的生成。

图 | TakeCareofTexas.org

不过,虽然臭氧污染危害大,但却没必要杜绝使用一切臭氧发生装置,比如激光打印机、静电式空气净化器、臭氧消毒柜等家用电器。事实上,人类活动直接排放的臭氧微不足道。而且由于臭氧最终分解产物是氧气,不会有任何有害残留物,是一种非常安全且高效的消毒剂。如今,臭氧消毒技术已相当成熟,科学地使用不会对人体和环境造成危害。只要在使用的时候注意避开老人、小孩及孕妇等敏感人群就可以了。

如何防护臭氧污染?

很遗憾,目前市面上没有特别可靠的臭氧污染防护设备。

和PM 2.5等颗粒污染物不一样,臭氧是极小的空气分子,常见的面罩难以阻挡。因此,应对臭氧污染最经济有效的做法不是“防”,而是“躲”。

臭氧的生成离不开光照,因此臭氧污染多集中在春夏的午后。但是,由于它很容易降解,我们只要避免在臭氧污染高峰期时出行,同时减少这段时间开窗通风的频率,就能避免大部分臭氧伤害[6]。

北京市臭氧浓度日间变化规律。午后空气中的臭氧浓度是一天之中最高的时刻 | 参考文献[6]

当然,这只是治标不治本的方法。只有当我们解决了臭氧生成前体气体排放的问题,才能迎来摆脱臭氧污染的那一天。

生态环境是环环相扣的复杂系统,治理空气污染需要更全面地理解其背后的污染原理,灵活地制定政策,而这都需要我们做好长期作战的准备。

参考文献:

[1] Sicard P, De Marco A, Agathokleous E, Feng Z, Xu X, Paoletti E, Jaime J, Rodriguez D, Calatayud V (2020) Amplified ozone pollution in cities during the COVID-19 lockdown. Science of the Total Environment 735: 139542.

[2] Feng Z, De Marco A, Anav A, Gualtieri M, Sicard P, Tian H, Fornasier F, Tao F, Guo A, Paoletti E (2019) Economic losses due to ozone impacts on human health, forest productivity and crop yield across China. Environment International 131: 104966

[3] Feng Z, Sun J, Wan W, Hu E, Calatayud V (2014) Evidence of widespread ozone-induced visible injury on plants in Beijing, China. Environmental Pollution 193: 296-301

[4] Wang T, Xue L, Brimblecombe P, Lam YF, Li L, Zhang L (2017) Ozone pollution in China: A review of concentrations, meteorological influences, chemical precursors, and effects. Science of the Total Environment. 575: 1582-1596

[5] Li K, Jacob DJ, Liao H, Shen L, Zhang Q, Bates KH (2019) Anthropogenic drivers of 2013–2017 trends in summer surface ozone in China. PNAS 116: 422-427

[6] 王占山,李云婷,陈添,等 (2014) 北京城区臭氧日变化特征及与前体物的相关性分析. 中国环境科学 34: 3001-3008


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