关于臭氧，你需要了解这些
每年9月16日是国际臭氧层保护日。相信各位读者已经获悉南极“臭氧洞”正逐渐恢复的喜讯，但事实上，“臭氧洞”修复仍面临着来自气候变暖的挑战，而对流层臭氧污染也有许多难解的科学问题，且其很可能成为我国在成功控制大气雾霾污染之后要面对的首要空气质量问题……
在这个特别的日子，我们邀请两位研究臭氧的专家，从回顾中国在世界臭氧观测史中的足迹开始，与读者分享臭氧的最新研究成果。
臭氧知识点
■约有90%的臭氧分布在平流层，即常说的臭氧层，10%的臭氧分布在对流层。平流层臭氧变化深刻地影响着天气和气候。
■平流层臭氧吸收太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害的紫外线辐射，为平流层大气环流维持和发展提供能量，同时使近地边界层生物体免受太阳紫外线辐射的损害，是地球生命的重要屏障。
■对流层和近地面的臭氧因为其与水汽反应产生OH自由基（大气中最重要的氧化剂之一），几乎影响到对流层大气化学反应的所有过程。对流层臭氧对人体呼吸和心血管系统、农作物及林木生长等都有负面影响。
■人为活动正在改变大气中的臭氧分布，其中最显著的是南极“臭氧洞”和北极地区春季臭氧总量减少。与此同时，近地面和对流层臭氧却呈现总体增加趋势。
■1987年旨在保护臭氧层、限制氟化物排放的《蒙特利尔协议书》签订，这在平流层臭氧科学上具有里程碑意义。
【距地面约50公里——平流层】
南极臭氧空洞正在修复，地球不用怕了吗？
南极“臭氧洞”是上世纪80年代以来地球最大的环境问题之一。科学家于上世纪中期发现南极大气臭氧出现季节性大幅度下降。该空洞通常于每年8月中旬逐渐形成，10月中上旬达到最大面积，11月底至12月初消失。
2016年，《科学》期刊发表的一项研究指出，科学家首次掌握的明确证据显示，南极上空的巨大臭氧层空洞开始逐渐修复。自2000年9月开始测量以来，该空洞平均每年（9月同期水平）以400万平方公里的速度缩小，主要原因是足以破坏臭氧层的化学物质长期递减。尽管后来有研究发现自2012年以来损耗臭氧的氟氯烃-11（CFC-11或CFCL3）排放量出现意外增长，但《蒙特利尔议定书》仍被认为是迄今为止最成功的国际环境协定。
既然南极臭氧空洞已经在修复了，地球可以就此不用怕了吗？
事实上，平流层臭氧只是呈现初步恢复态势，而且这种态势很脆弱，需要人类继续严格遵守《蒙特利尔议定书》，持续降低损耗臭氧物质排放，“臭氧洞”才可能按照科学家的预测在本世纪中期完全愈合。
另一方面，臭氧层修复与全球变暖的综合作用也可能成为新的挑战。由于大气温室气体增加，导致越来越多的热量驻留在低层大气（对流层）。对流层温度的上升，抬升了对流层层顶，使得贫臭氧气团进入平流层，进而通过复杂的大气物理化学过程影响臭氧层的长期变化。
此外，尽管“臭氧洞”已经开始修复，但此前平流层臭氧损耗带来的极地涡旋、南极涛动的变化，以及由此引发的降雨、气温和洋流等整个气候地理系统的变化，影响仍在持续。而它们彼此之间错综复杂的关系和影响机理仍有待科学家进一步探索。
【距地面约10-12公里——对流层】
全球首份对流层臭氧评估报告，要回答哪些问题？
对流层臭氧实际是一种光化学污染物，主要是由氮氧化物和挥发性有机物等一次污染物，在高温强光照的天气背景下产生的。这种在强烈阳光紫外线照射下，由一次污染物发生光化学反应所生成的污染物叫二次污染物。
拥有温室气体和污染物双重身份的近地面臭氧，对人类健康、植被等生态系统不利。自1990年以来，大气中造成臭氧污染的主要人为排放“大户”已经从北美和欧洲转移到亚洲。这种迅速变化，加上发展中国家臭氧监测条件有限，使得科学家无法回答最基本的问题：世界上哪些地区的人类和植物受臭氧污染最严重？在进行强排放控制的国家，臭氧浓度是否继续下降？发展中国家的臭氧增加到什么程度？大气科学界如何更好地量化臭氧对人类健康和植被等生态系统生产力影响所必需的臭氧指标？
为了回答这些问题，国际全球大气化学项目（IGAC）2014年启动了对流层臭氧评估报告（TOAR）计划，使命是为研究界提供对流层臭氧从地表到对流层顶的全球分布和趋势的最新科学评估。该计划主要目标有二，一是根据所有能获得的地面臭氧观测资料，经同行评审文献和新的分析，制作第一份综合性的对流层臭氧评估报告；二是针对全球数千个测量地点（城市和非城市）生成易于获取的有关臭氧暴露和剂量指标的数据，供自由获取，为研究臭氧对气候、人类健康和植被等生态系统生产力的全球影响提供数据。
我国四个城市2008年至2016年臭氧浓度变化趋势。（来源：论文《2008-2016年臭氧监测试点城市的臭氧污染特征》）
TOAR计划吸引了全球36个国家220余名科学家参与其中，其中包括来自中国气象科学研究院徐晓斌研究员等中国科学家。目前，该计划已经建立了一个全球地表臭氧观测数据库，并生成了一整套臭氧指标产品，包括标准统计数据，健康和植被影响指标以及趋势信息。第一期对流层臭氧综合评估的主要成果和内容已通过系列论文形式在开放获取期刊Elementa上公开发表。随着研究工作的深入，还会有进一步的成果公布，TOAR也会着手开展新一轮评估。
整体情况：
■卫星、探空和飞机资料表明上世纪90年代以来对流层臭氧持续增长。欧洲和美国地面臭氧浓度从上世纪后半叶开始快速增长，但从本世纪初逐渐开始呈现下降态势或保持稳定状态。
■亚洲对流层臭氧浓度是全世界增长最快的区域，与其经济发展速度呈正相关。但该地区能用于长期趋势评估的数据分布非常不均匀。南亚和西亚几乎没有数据，东亚以日本和韩国数据为主。中国内地只有瓦里关等站的观测时间较长。虽然从2013年开始中国建立了大量观测站点开始观测地面臭氧，但观测起步较晚，数据未能进入此次评估报告。
■氮氧化物排放控制难度较大，成本较高。但在我国大力推进之下，目前氮氧化物排放量快速增长的势头已经得到遏制，但仍处在高位，需要进一步逐步引入更严格的标准、采取更严格的措施控制发电厂、工厂锅炉、机动车等的排放。
■挥发性有机物（VOCs）比氮氧化物控制难度更大，因其排放源更为分散，包括化工、溶剂使用、家具、皮革生产、装修等，需要在排污收费、先进污染物治理设备研发和效益发挥等方面继续努力。
■植物排放的挥发性有机物不容忽视，其随季节、地域的不同排放量会发生变化，且植物排放的挥发性有机物活性远超人为排放的挥发性有机物。
1839年，科学家舒贝因在巴塞尔（Basel）实验室将电解和火花放电试验过程中产生的一种异味气体命名为臭氧，也因此臭氧被称为“具有电味道”的气体。臭氧的特性和功能开始进入科学研究领域。在发现臭氧广谱灭菌效果后，它逐渐进入了工业化生产应用阶段。
1902年，世界第一座采用臭氧处理工艺的大型水厂在德国帕德博恩建立。目前臭氧工艺在欧美日等发达国家已得到广泛应用，净化后的自来水可供直接饮用。1937 年，世界上第一座使用臭氧处理的商业游泳池在美国启用，目前臭氧已成为奥运水中竞赛项目指定的水质消毒方式。上世纪六七十年代，美国开始利用臭氧技术处理生活污水。近年来发达国家陆续建立了大规模的臭氧深度处理污水处理厂，例如，日本在缺水地区将污水用臭氧深度处理后作为中水使用。1982年瓶装水开始使用臭氧杀菌，目前矿泉水、纯净水厂家几乎都装了臭氧设备。1973 年成立的国际臭氧协会成为臭氧研究和应用推广的平台。到二十世纪末，臭氧的工业应用已非常普遍，广泛应用于饮用水处理、污水处理、纸浆漂白、中间体合成、纺织脱色、香料合成、废旧轮胎处理、疾病治疗、仓储运输等领域。
我国臭氧技术起步较晚，上世纪70年代中期，国内开始进行臭氧技术的研究开发；90年代，随着矿泉水、纯净水臭氧消毒技术的推广应用，医药行业采用臭氧进行空气杀菌处理，小型家用臭氧发生器的应用也促进了我国臭氧行业的发展。
2000年后，我国工业用大型臭氧设备制造技术研究取得大量成果，在臭氧放电管、熔断器、中高频电源等大型臭氧发生器制造的关键技术上取得重大突破，大型中频臭氧发生器相继研制成功，中国臭氧技术逐步提升到国际先进水平。2010年，《水处理用臭氧发生器 CJ/T322-2010》的实施，使我国臭氧发生器标准与国际先进标准接轨，对我国臭氧行业整体技术水平提升和市场规范起到重要作用。经过多年发展，我国的臭氧系统设备制造技术水平和市场规模有了很大提高，并在市政给水、市政污水、工业废水、烟气脱硝、精细化工、泳池消毒、空间消毒、饮料食品等行业得到广泛应用。
