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關于臭氧,你需要了解這些 來源:中國氣象報 日期:2019年09月16日14:58

專家顧問:中國氣象科學研究院研究員 鄭向東 徐曉斌

中國氣象報記者 張格苗  

  每年9月16日是國際臭氧層保護日。相信各位讀者已經獲悉南極“臭氧洞”正逐漸恢復的喜訊,但事實上,“臭氧洞”修復仍面臨著來自氣候變暖的挑戰,而對流層臭氧污染也有許多難解的科學問題,且其很可能成為我國在成功控制大氣霧霾污染之后要面對的首要空氣質量問題……

  在這個特別的日子,我們邀請兩位研究臭氧的專家,從回顧中國在世界臭氧觀測史中的足跡開始,與讀者分享臭氧的最新研究成果。

  臭氧知識點

  ■約有90%的臭氧分布在平流層,即常說的臭氧層,10%的臭氧分布在對流層。平流層臭氧變化深刻地影響著天氣和氣候。

  ■平流層臭氧吸收太陽放射出的大量對人類、動物及植物有害的紫外線輻射,為平流層大氣環流維持和發展提供能量,同時使近地邊界層生物體免受太陽紫外線輻射的損害,是地球生命的重要屏障。

  ■對流層和近地面的臭氧因為其與水汽反應產生OH自由基(大氣中最重要的氧化劑之一),幾乎影響到對流層大氣化學反應的所有過程。對流層臭氧對人體呼吸和心血管系統、農作物及林木生長等都有負面影響。

  ■人為活動正在改變大氣中的臭氧分布,其中最顯著的是南極“臭氧洞”和北極地區春季臭氧總量減少。與此同時,近地面和對流層臭氧卻呈現總體增加趨勢。

  ■1987年旨在保護臭氧層、限制氟化物排放的《蒙特利爾協議書》簽訂,這在平流層臭氧科學上具有里程碑意義。

  【距地面約50公里——平流層】

南極臭氧空洞正在修復,地球不用怕了嗎?

  南極“臭氧洞”是上世紀80年代以來地球最大的環境問題之一??茖W家于上世紀中期發現南極大氣臭氧出現季節性大幅度下降。該空洞通常于每年8月中旬逐漸形成,10月中上旬達到最大面積,11月底至12月初消失。

  2016年,《科學》期刊發表的一項研究指出,科學家首次掌握的明確證據顯示,南極上空的巨大臭氧層空洞開始逐漸修復。自2000年9月開始測量以來,該空洞平均每年(9月同期水平)以400萬平方公里的速度縮小,主要原因是足以破壞臭氧層的化學物質長期遞減。盡管后來有研究發現自2012年以來損耗臭氧的氟氯烴-11(CFC-11或CFCL3)排放量出現意外增長,但《蒙特利爾議定書》仍被認為是迄今為止最成功的國際環境協定。

  既然南極臭氧空洞已經在修復了,地球可以就此不用怕了嗎?

  事實上,平流層臭氧只是呈現初步恢復態勢,而且這種態勢很脆弱,需要人類繼續嚴格遵守《蒙特利爾議定書》,持續降低損耗臭氧物質排放,“臭氧洞”才可能按照科學家的預測在本世紀中期完全愈合。

  另一方面,臭氧層修復與全球變暖的綜合作用也可能成為新的挑戰。由于大氣溫室氣體增加,導致越來越多的熱量駐留在低層大氣(對流層)。對流層溫度的上升,抬升了對流層層頂,使得貧臭氧氣團進入平流層,進而通過復雜的大氣物理化學過程影響臭氧層的長期變化。

  此外,盡管“臭氧洞”已經開始修復,但此前平流層臭氧損耗帶來的極地渦旋、南極濤動的變化,以及由此引發的降雨、氣溫和洋流等整個氣候地理系統的變化,影響仍在持續。而它們彼此之間錯綜復雜的關系和影響機理仍有待科學家進一步探索。

  【距地面約10-12公里——對流層】

全球首份對流層臭氧評估報告,要回答哪些問題?

  對流層臭氧實際是一種光化學污染物,主要是由氮氧化物和揮發性有機物等一次污染物,在高溫強光照的天氣背景下產生的。這種在強烈陽光紫外線照射下,由一次污染物發生光化學反應所生成的污染物叫二次污染物。

  擁有溫室氣體和污染物雙重身份的近地面臭氧,對人類健康、植被等生態系統不利。自1990年以來,大氣中造成臭氧污染的主要人為排放“大戶”已經從北美和歐洲轉移到亞洲。這種迅速變化,加上發展中國家臭氧監測條件有限,使得科學家無法回答最基本的問題:世界上哪些地區的人類和植物受臭氧污染最嚴重?在進行強排放控制的國家,臭氧濃度是否繼續下降?發展中國家的臭氧增加到什么程度?大氣科學界如何更好地量化臭氧對人類健康和植被等生態系統生產力影響所必需的臭氧指標?

  為了回答這些問題,國際全球大氣化學項目(IGAC)2014年啟動了對流層臭氧評估報告(TOAR)計劃,使命是為研究界提供對流層臭氧從地表到對流層頂的全球分布和趨勢的最新科學評估。該計劃主要目標有二,一是根據所有能獲得的地面臭氧觀測資料,經同行評審文獻和新的分析,制作第一份綜合性的對流層臭氧評估報告;二是針對全球數千個測量地點(城市和非城市)生成易于獲取的有關臭氧暴露和劑量指標的數據,供自由獲取,為研究臭氧對氣候、人類健康和植被等生態系統生產力的全球影響提供數據。

我國四個城市2008年至2016年臭氧濃度變化趨勢。(來源:論文《2008-2016年臭氧監測試點城市的臭氧污染特征》)  

  TOAR計劃吸引了全球36個國家220余名科學家參與其中,其中包括來自中國氣象科學研究院徐曉斌研究員等中國科學家。目前,該計劃已經建立了一個全球地表臭氧觀測數據庫,并生成了一整套臭氧指標產品,包括標準統計數據,健康和植被影響指標以及趨勢信息。第一期對流層臭氧綜合評估的主要成果和內容已通過系列論文形式在開放獲取期刊Elementa上公開發表。隨著研究工作的深入,還會有進一步的成果公布,TOAR也會著手開展新一輪評估。

  【TOAR檔案 

  評估時間窗口:2000-2014年

  觀測站點數量:近10000個

  整體情況:

  ■衛星、探空和飛機資料表明上世紀90年代以來對流層臭氧持續增長。歐洲和美國地面臭氧濃度從上世紀后半葉開始快速增長,但從本世紀初逐漸開始呈現下降態勢或保持穩定狀態。

  ■亞洲對流層臭氧濃度是全世界增長最快的區域,與其經濟發展速度呈正相關。但該地區能用于長期趨勢評估的數據分布非常不均勻。南亞和西亞幾乎沒有數據,東亞以日本和韓國數據為主。中國內地只有瓦里關等站的觀測時間較長。雖然從2013年開始中國建立了大量觀測站點開始觀測地面臭氧,但觀測起步較晚,數據未能進入此次評估報告。

  ■氮氧化物排放控制難度較大,成本較高。但在我國大力推進之下,目前氮氧化物排放量快速增長的勢頭已經得到遏制,但仍處在高位,需要進一步逐步引入更嚴格的標準、采取更嚴格的措施控制發電廠、工廠鍋爐、機動車等的排放。

  ■揮發性有機物(VOCs)比氮氧化物控制難度更大,因其排放源更為分散,包括化工、溶劑使用、家具、皮革生產、裝修等,需要在排污收費、先進污染物治理設備研發和效益發揮等方面繼續努力。

  ■植物排放的揮發性有機物不容忽視,其隨季節、地域的不同排放量會發生變化,且植物排放的揮發性有機物活性遠超人為排放的揮發性有機物?! ?/font>

  【延伸閱讀】

當臭氧被好好利用起來

  1839年,科學家舒貝因在巴塞爾(Basel)實驗室將電解和火花放電試驗過程中產生的一種異味氣體命名為臭氧,也因此臭氧被稱為“具有電味道”的氣體。臭氧的特性和功能開始進入科學研究領域。在發現臭氧廣譜滅菌效果后,它逐漸進入了工業化生產應用階段。

  1902年,世界第一座采用臭氧處理工藝的大型水廠在德國帕德博恩建立。目前臭氧工藝在歐美日等發達國家已得到廣泛應用,凈化后的自來水可供直接飲用。1937 年,世界上第一座使用臭氧處理的商業游泳池在美國啟用,目前臭氧已成為奧運水中競賽項目指定的水質消毒方式。上世紀六七十年代,美國開始利用臭氧技術處理生活污水。近年來發達國家陸續建立了大規模的臭氧深度處理污水處理廠,例如,日本在缺水地區將污水用臭氧深度處理后作為中水使用。1982年瓶裝水開始使用臭氧殺菌,目前礦泉水、純凈水廠家幾乎都裝了臭氧設備。1973 年成立的國際臭氧協會成為臭氧研究和應用推廣的平臺。到二十世紀末,臭氧的工業應用已非常普遍,廣泛應用于飲用水處理、污水處理、紙漿漂白、中間體合成、紡織脫色、香料合成、廢舊輪胎處理、疾病治療、倉儲運輸等領域。

  我國臭氧技術起步較晚,上世紀70年代中期,國內開始進行臭氧技術的研究開發;90年代,隨著礦泉水、純凈水臭氧消毒技術的推廣應用,醫藥行業采用臭氧進行空氣殺菌處理,小型家用臭氧發生器的應用也促進了我國臭氧行業的發展。

  2000年后,我國工業用大型臭氧設備制造技術研究取得大量成果,在臭氧放電管、熔斷器、中高頻電源等大型臭氧發生器制造的關鍵技術上取得重大突破,大型中頻臭氧發生器相繼研制成功,中國臭氧技術逐步提升到國際先進水平。2010年,《水處理用臭氧發生器 CJ/T322-2010》的實施,使我國臭氧發生器標準與國際先進標準接軌,對我國臭氧行業整體技術水平提升和市場規范起到重要作用。經過多年發展,我國的臭氧系統設備制造技術水平和市場規模有了很大提高,并在市政給水、市政污水、工業廢水、煙氣脫硝、精細化工、泳池消毒、空間消毒、飲料食品等行業得到廣泛應用。(摘自人民網)  

  (來源:《中國氣象報》2019年9月16日三版 責任編輯:郝靜) 

 


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