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對流層里存在的臭氧屬於一種對生物有害的污染物,是光化學煙霧的組成部分之一(而平流層(臭氧層)中的臭氧則是對生物至關重要的紫外線吸收劑)。許多涉及化學能量快速轉化的人類活動,如內燃機開動、複印機工作等等,都會產生臭氧,危害人類健康。經常用激光印表機將會有臭氧的氣味,在高濃度時會中毒。臭氧(O3)是一種強氧化劑,容易與其他化學物質反應生成許多有毒的氧化物。
對流層從地球表面延伸至10~18千米高度(其厚度與緯度相關),內部又可分為許多層,而臭氧主要集中在混合層(即從對流層到平流層的過渡區)。而在混合層下方,也就是絕大多數生物生活的高度(距地面0~10千米),臭氧的濃度相對很低,但由於它容易對人類健康產生不良影響,因此是一個亟待解決的環保問題。
對流層臭氧屬於溫室氣體。臭氧容易和空氣中的烴類氣體(如甲烷等)發生氧化反應,因此空氣中臭氧濃度的高低直接決定了上述烴類氣體在空氣中的存在時間。
如今人們已經可以利用人造衛星測量對流層臭氧的濃度。針對地表臭氧濃度的測量需要利用原位監測技術。

1形成

對流層臭氧主要來自光化學反應——當混合著各種氮的氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和揮發性有機化合物(VOC,如二甲苯)的空氣在受到日光照射時,便會產生臭氧。氮氧化物和揮發性有機物因此被稱為「臭氧前體」(ozone precursors)。汽車尾氣、工業廢氣和化學有機溶劑是「臭氧前體」的主要人為排放源。儘管這些排放源大都集中在城市中,但一些物質(如氮氧化物)可以藉助風力擴散到數百千米之外的人口稀疏區,在那裡形成臭氧源。甲烷是對流層臭氧產生的另一元兇。這種揮發性有機物在大氣層中的濃度在20世紀經歷了大幅度增加,這大大加劇了對流層臭氧的形成,並且這種作用是全球性的,而氮氧化物和其他VOC的影響只是局部性的。由於上述區別,人們有時會特別使用「非甲烷VOC」(NMVOC)這一術語來特指除甲烷外的其他揮發性有機物。
對流層臭氧的形成需經歷一系列複雜的化學反應,分別把一氧化碳和VOC氧化成二氧化碳和水蒸氣。下面我們僅列出涉及一氧化碳的反應,涉及VOC的反應與這類似。氧化反應首先發生在一氧化碳和有機物的羥基之間。此過程中形成的遊離氫原子迅速被氧化成過氧基HO2
OH + CO → H + CO2
H + O2 → HO2
緊接著,過氧基將NO氧化成NO2,NO2在陽光照射下會發生光解反應,釋放出遊離氧原子。最後,極不穩定的氧原子O和空氣中的氧氣分子O2化合,就生成了終產物臭氧。上述反應可表示為:
HO2 + NO → OH + NO2
NO2 + hν → NO + O
O + O2 → O3
上面一系列反應的實際效果是:
CO + 2O2 → CO2 + O3
此一化學方程式似乎表明HOx和NOx總量在反應前後未發生變化,而事實上上述過程還伴隨著OH和NO2反應生成硝酸(HNO3),以及過氧基之間相互反應生成過氧化氫(即雙氧水),這些反應都會逐步減少生成臭氧過程中催化劑的數量。有揮發性有機物參與的反應比上面的過程複雜得多,但對生成臭氧而言最關鍵的一步——過氧基將NO氧化成NO2——與上面的過程是相同的。
另外,平流層臭氧的向下擴散流動也是對流層臭氧的重要來源之一,但這一來源相對前述人為貢獻而言對人類的危害要小得多。

2對健康的影響

對流層臭氧對人類健康的主要危害有:
* 刺激呼吸系統,導致咳嗽、喉嚨痛、胸悶等不適;
* 損害肺功能,導致氣喘、呼吸乏力,患者可能會因呼吸障礙而無法參加一些劇烈運動;
* 加重哮喘病情。當臭氧濃度高時,哮喘病人的急性發作和就診率會隨之上升,其原因之一就是在臭氧刺激下,人呼吸道對病原體的防禦力會進一步下降,容易引發哮喘急性發作;
* 增加上呼吸道感染患病機率;
* 引起肺泡膜發炎、受損。在幾天之內,被損壞的細胞會像晒黑后的皮膚一樣脫落,直到新細胞長成。動物實驗結果表明,如果這種情況長期得不到改變(可能是數月,數年,一生),可能會在肺組織中留下疤痕,導致肺功能受到永久損害,嚴重影響患者的生活質量。
有關組織對美國全國95個城市居民區中的住戶進行了一次抽樣調查,結果發現居住環境中的臭氧濃度與居民過早死亡率有密切關係。研究還指出,若城市中的臭氧濃度能下降三分之一,那麼全美每年將可減少約4000例死亡。

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