详说臭氧O3

臭氧是构成地球大圈数十种气体中的一种痕量气体。臭氧由氧分子离解为氧原子后，再与另外的氧分子结合而形成，难溶于水，是一种强氧化剂，现代生活中常用于消毒、洗涤。臭氧毒性和破坏性很强，对生物有机体危害极大。在天然大气中臭氧的含量极低，但其对生物圈的意义却非同寻常。随着人类社会日益膨胀及一些不确定因素的作用，大气层中臭氧固有的空间分布规律受到极大冲击，朝着不利方向演变，已威胁到地球生命的可持续发展。

臭氧的结合、形成过程在天然大气中主要由太阳紫外辐射来达成，少量是靠有机物的氧化和雷雨闪电而产生。这种过程在围绕地球的大气中广泛发生，因而其完整地覆盖全球并集中分布于距地面20—55公里的大气平流层中，尤其在20—25公里高度处浓度最大；而在近地面大气底层因紫外辐射弱，臭氧生成极少；距地面55公里以上，则太阳短波辐射剧烈，氧分子、臭氧分子离解作用强，亦难以生成。所以，大气平流层中臭氧连续分布密集的这一层次即被称为臭氧层。臭氧层吸收、阻断杀伤力极强的宇宙射线、γ射线、X射线和部分紫外线，加之大气尘埃、水汽吸收和反射掉部分伤害性很强的短波紫外线，使到达地表的阳光只剩下波长为0．29微米－0．35微米的紫外线和可见光、红外线等三种有益于人体健康的射线，免除了伤害性极强的短波紫外线对地球生命的危害，使得人类和各种动植物能无忧无虑地沐浴阳光，科学家誉之为“生命的内保护层”。

在人口密集的城市或工业地区中，大量能形成光化学烟雾的碳氢化物和氮氧化物进入大气，在强烈紫外线照射下，加上空气中氧的作用，也可形成臭氧。这种产生过程因而具有较强的地区性和时间性，常常出现在大气底层空气污染严重的大都市区，高浓度值则多发生于夏秋季节晴天的中午前后。

臭氧的空间分布正在出现异常变化。主要体现在高层大气臭氧的减少和大气底层臭氧尘埃的增加，以及地区性城市、工业区上空大气臭氧浓度的明显上升，这种变化的后果势必引起大气臭氧层稀薄化，甚至形成臭氧洞，任强烈的短波辐射长驱直入，危害生物有机体；而在人口稠密的城市地区则由于臭氧尘埃的增多进一步加剧空气污染。臭氧分布模式的改变还会导致气候变化，进而引起自然环境的变迁。

从病理学角度看，当空气中臭氧浓度达到0．25—0．30ppm，即可导致喘息及呼吸道疾病恶化，肺功能下降，升至0．5ppm，视力变弱，肺泡扩散功能显著降低，出现缺氧；达到1—2ppm，如反复接触，导致肺气肿，5—10ppm则全身疼痛，并呈现麻醉状态，如持续接触，将招致肺气肿。臭氧对植物组织亦有较大危害，如其浓度增加，作用时间长，可引起观赏树木和灌木严重受害甚至死亡。而以臭氧为主的光化学氧化剂对人体的远期危害，主要是损伤机体膜（包括各种器官组织和细胞膜），使心脏功能衰退，氧化组织中的弹力纤维使纤维中的蛋白质分子变硬或失去弹力，从而使皮肤出现皱纹，血管失去弹性，动脉硬化，骨胶朊纤维变硬，骨骼变脆，容易骨折，肺泡间弹力纤维失去弹性，引发肺气肿等等。久而久之，促使机体提早衰老，寿命缩短。可见空气一旦遭受臭氧污染，其后果是严重的。

汽车尾气中除了含有严重危害健康的一氧化碳和铅等污染物外，还有大量碳氢化物和氮氧化物。在大气中氧的参与下，经太阳紫外线照射，发生一系列化学反应，生成臭氧、醛类和过氧乙酰硝酸酯等二次污染物，统称光化学氧化剂，它们与工厂排放的硫酸雾协同作用，即可形成稍带蓝色的光化学烟雾，对城市人群产生危害。而臭氧在氧化剂中比重最大。据国外资料显示，在氧化剂浓度达到高峰时，臭氧比重可占到90％，是损害人体健康的真正元凶。

为了严密监控大气环境质量，维护城市居民的身体健康，采取以下措施是当务之急：①制订底层大气臭氧最大允许浓度标准。大气底层是生命活动集中的层次。以病理学研究为基础，拟定一个保障人类及其他生物不受臭氧污染严重危害的最大控制标准，监控、防治臭氧污染才有根本的依据。例如美国制定的标准是一小时臭氧最大容入场浓度为0．06ppm，可资我国借鉴。②制订汽车尾气排放标准，严格限制排放量。汽车运输是臭氧污染的最主要污染源，有鉴于此，美国曾制定了每辆车每英里碳氢化物排放量不得超过0．41毫克及氮氧化物排放量小于0．40毫克的控制标准。相应制定符合中国国情的汽车尾气排放标准，严格限制废气排放，是杜绝“光化学污染”的有效手段。同时，应加快油耗小、废气排量少的新型汽车的推广应用，并对旧款式车辆发动机采取严格的消烟措施。此外，须增进国际合作，加速甲烷、液氢燃料汽车的研制和生产步伐。③提高大气污染监测、预报水平。除汽车尾气外，炼油、石化等工业企业也大量排放碳氢化物和氮氧化物。因此，应根据具体情况合理布置监测网点，严密监控，适时作出污染物浓度变化的分析、预报。④搞好城市规划工作。

1998年12月4日世界气象组织在日内瓦宣布，南极上空的臭氧层空洞已持续近一百天面积超过1000万平方公里，而同年9月份的测量值更创记录地达到了2500万平方公里，比上一次的最高记录（1993年）大了300万平方公里。长此以往，科学家已发出警告，到21世纪中叶，受损的臭氧层恐怕将难以恢复。

目前对于臭氧洞的成因机制大致可有三种理论解释，即：①动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少，形成臭氧洞；②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少，出现臭氧洞；③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧洞的形成。

科学研究已证实对臭氧层构成破坏的人工产物主要有两类：氟烃与甲基溴。1930年，氯氟烃作为致冷剂面世，随后在工业制冷、家用冰箱、空调、气溶胶喷雾器等领域广泛应用，而今世界范围内氯氟烃的年生产能力已高达30万吨。这种碳氟化合物的分子可以上升直达平流层，在吸收紫外辐射后离解，释放出氯袭击臭氧分子，经一连串反应使其转变为普通的氧分子，使臭氧浓度降低，直接威胁臭氧层。氯氟烃催化臭氧分解的理论1976年已得到实验证实。至于甲基溴，大洋中海藻每年自然释放甲基溴气体量达数十万吨，但大部分被海洋及大气循环净化了。而为了杀灭田地及粮仓里的昆虫和啮齿动物，世界农业化学工业每年生产使用约5．3万吨甲基溴，难以自然净化。甲基溴极不稳定，容易快速转化成氧化溴，根据法国全国科学研究中心的高层大气物理学和化学实验室的研究显示，以等量的分子计算，氧化溴对臭氧的破坏力比氯氟烃所产生的氧化氯要大60倍。因此，1987年140个国家参与签署了《蒙特利尔议定书》，1992年又通过了哥本哈根修订案，就控制可破坏臭氧物质达成协定：工业化国家于1996年，发展中国家则将在2010年全面停止氯氟烃的生产。签字国1997年9月进一步承诺至2005年工业化国家不再使用甲基溴，发展中国家2012年停止使用甲基溴。

除此之外，另一类潜在的威胁则可能来自飞行高度不断提升的喷气式飞机。法国协和式飞机飞行高度已达18公里，而美国新型的超音速飞机甚至在22公里以上高空飞行，都已深入到了平流层中，其排出物会不会引起臭氧的减少？应引起各国科学家的关注。