环境空气中臭氧变化规律及来源分析

环境空气中臭氧变化规律及来源分析

【摘要】本文通过广州市番禺区辖区内环境空气中臭氧浓度数据的归纳分析，初步得出臭氧的日变化规律及月变化规律。简要的阐述环境空气中臭氧的形成原因，找出臭氧的来源，并对降低地区臭氧浓度突出初步的建议。

【关键词】臭氧；变化规律；形成原因；来源；降低；建议

1 臭氧的介绍

1.1 臭氧的基本信息

臭氧，化学式为O3，是氧气的同素异形体。臭氧主要存在于距地球表面20千米的同温层下部的臭氧层中，含量约50ppm。它吸收对人体有害的短波紫外线，防止其到达地球，以屏蔽地球表面生物，不受紫外线侵害。在大气层中，氧分子因高能量的辐射而分解为氧原子（O），而氧原子与另一氧分子结合，即生成臭氧。臭氧又会与氧原子、氯或其他游离性物质反应而分解消失，由于这种反复不断的生成和消失，臭氧含量可维持在一定的均衡状态。

1.2 臭氧的物理性质

物理性质方面，在常温、常态、常压下，较低浓度的臭氧是无色气体，当浓度达到15%时，呈现出淡蓝色。臭氧可溶于水，在常温常态常压下臭氧在水中的溶解度比氧高约13倍，比空气高25倍。一般情况下，臭氧在低层空气中的含量极低，故分压也极低。

1.3 臭氧的化学性质

臭氧很不稳定，在常温常态常压下即可分解为氧气。臭氧、氯和二氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.07、1.36、1.28伏特，可见臭氧是氧化力量很强的一种物质。臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。

含量为 1 %以下的臭氧，在常温常态常压的空气中分解半衰期为16h 左右。随着温度的升高，分解速度加快，温度超过100℃时，分解非常剧烈，达到270℃高温时，可立即转化为氧气。

1.4 臭氧的毒性

臭氧属于有害气体，浓度为0.3mg/m3时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉；浓度3～30mg/m3时，出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症；臭氧浓度为15～60mg/m3时，则对人体有危害。其毒性还和接触时间有关，例如长期接触

8mg/m3以下的臭氧会引起永久性心脏障碍，但接触20ppm 以下的臭氧不超过2h ，对人体无永久性危害。因此，臭氧浓度的允许值定为0.16g/m3（8h）。

2 番禺区环境空气中臭氧浓度数据的统计分析

2.1 臭氧浓度统计

2013年伊始，番禺区的番禺市桥环境空气自动监测子站（国控点，以下简称番禺市桥子站）开始对臭氧开展实时监测。一年下来，获得了大量的臭氧浓度的数据。对这些数据进行了整理归纳和统计分析，得到一些初步的结论。

1）臭氧浓度的年分布分析

2）臭氧浓度的日变化趋势

在一天内，臭氧的浓度变化幅度很大。一般的，臭氧浓度在晚上都处于一个很低的水平。随着清晨太阳出来，温度升高，臭氧浓度开始迅速升高，到午后达到峰值，然后逐渐降低。这个规律在一年里的其它季节和时间也得到很好的重复性。

3 臭氧来源分析

3.1 臭氧的来源

理论上，低层环境空气中臭氧含量是非常非常低的。导致环境空气中臭氧浓度的升高主要是二氧化氮在一定的光强下解离所致。

在一定的气象条件以及光辐射下，空气中的氮氧化物和挥发性有机物（如烃类）等物质发生反应，产生臭氧和其它有机物（如醛类）等。这些物质会造成空气处于烟雾状，这种现象称为光化学烟雾。图3为光化学烟雾的日变化曲线图。

从图3可以看出，在一定的气象条件及光辐射下，臭氧的浓度早上八九时开始升高，午后十四时左右达到峰值后慢慢降低，至太阳下山入夜后便处于一个比较稳定的低值。将图3和图2进行对比，发现番禺区的臭氧日变化趋势与理论曲线有着吻合的地方，但峰值出现的时间比理论曲线要晚一个小时左右。这个，可以推测为番禺区的臭氧并不全部由本地区产生，部分来源于外部环境空气的输送。

3.2 光化学烟雾的迁移特性

环境空气中因一次污染物发生化学反应而形成光化学烟雾，是臭氧浓度升高的最主要原因。而光化学烟雾的生成，是一个缓慢的化学过程，这就导致了光化学烟雾的迁移特性。

太阳升起，随着人类活动的活跃，环境空气中的氮氧化物和挥发性有机物浓度增加。在太阳光的辐射下，氮氧化物和挥发性有机物形成化学反应链，形成光化学烟雾，生成臭氧和醛类等。在反应的过程中，由于风力的作用，这些二次污染物将往下风向迁移，这就是光化学烟雾的迁移特性。也就是说，某个地区臭氧浓度的升高，其主要原因是由其上风向数公里乃至数十公里的地方迁移过来的。

3.3 番禺区臭氧来源分析

仔细分析番禺区臭氧和二氧化氮的变化趋势，对比光化学烟雾的日变化趋势理论图，可以初步推论，番禺辖区内本身所产生的光化学烟雾的量并不高，也就是说，番禺辖区内本身产生的臭氧不多。从现有的数据分析，我们有理由相信，造成番禺区臭氧浓度水平较高的主要原因，是上风向区域形成的光化学烟雾中的臭氧，通过区域大气的流动，输送到番禺辖区内。

番禺位于珠三角的中心，春夏以东南季风为主导风向，秋冬以北风为主导风向。春夏时，东莞和深圳的光化学烟雾将随东南季风迁移到番禺；秋冬季节，广州市区形成的臭氧又随北风来到番禺的上空。因此，番禺区的臭氧在一年的大部分时间内都处于一个比较高的浓度水平。

4 降低番禺区臭氧浓度的措施及建议

根据臭氧的生成机制及区域输送特点，提出如下几条降低番禺辖区臭氧浓度的措施及建议。

4.1 限值机动车数量，提高油品质量

机动车尾气排放是环境空气中氮氧化物的主要来源。限制机动车的数量，特别是污染物排放量大的黄标车的数量，将有效降低氮氧化物的排放。另外，提升油品质量也是一种行之有效的方法。不同级别的油品在燃烧时产生的污染物的量有着较大的差别。因此，提升油品级别和质量，对减少污染物的排放将有着立竿见影的作用。

4.2 控制辖区内的挥发性有机物的排放

挥发性有机物是形成光化学烟雾的其中一个重要因素。因此，控制辖区内的挥发性有机物的排放量，可以有效的切断光化学烟雾的反应链，降低臭氧的生成量。

4.3 形成大区域的协调机制，从全局全区域整体降低臭氧浓度

大气环流输送是番禺区臭氧浓度水平较高的一个重要组成部分。因此，想要达到降低番禺区域的臭氧浓度水平，必须形成一个以珠三角乃至广东省为一体的区域协调机制，从全局的高度制定政策及措施来控制臭氧的生成和转移。