与PM2.5同等危险的污染物臭氧:人类未来头号大敌?

2017-08-11本刊主笔刘国伟

环境与生活 2017年7期

◎本刊主笔刘国伟

◎本刊主笔刘国伟

今年夏天，北京迎来臭氧重污染天气。另据南京市环境部门监测，在刚刚过去的6月，南京有17天时间首要空气污染物质是臭氧。类似情况也出现在哈尔滨、宁波、鞍山等城市。每到入夏，臭氧污染就进入许多城市公众的视野。臭氧让人又爱又恨，一方面它有着地球卫士的美誉，庇护着我们这个星球上的众生；另一方面它也担着健康杀手的恶名，给人类健康带来危害。有国内环境学者就说，以前我们主要对付二氧化硫，现在重点抗击雾霾，未来臭氧将是头号大敌。

高空为善地球卫士

臭氧是氧气的同素异形体，主要存在于距地球表面20公里的同温层（也叫平流层）下部的臭氧层中。它能够吸收对生命极其有害的短波紫外线，防止其到达地球。从产生机理上看，在大气高层和中间层，部分氧气分子（O2）被阳光辐射后分解成2个氧原子（O），单个的氧原子再与普通的氧气分子（O2）结合，就形成了臭氧（O3），臭氧然后又会分解，形成普通的氧气分子。在我们头顶的大气中，每天约有3亿到4亿吨的臭氧生成，使大气中的臭氧总量保持稳定在30亿吨，亘古以来这种循环生生不息。高空臭氧屏蔽紫外线，这对地球上生命的延续意义极大，称其为地球卫士并不为过。

人类发现臭氧的存在是比较晚近的事。1785年，荷兰化学家马丁斯·范·马鲁姆在做水面放电试验时，闻到一股味道异常刺激的气味，当时他并未意识到自己用实验生成了一种前所未知的气体。直到半个多世纪后，德国化学家克里斯蒂安·舍恩拜恩才注意到，这股气味和闪电之后的空气味道是一样的。1839年，他成功地把这种气体隔离出来，并将其命名为臭氧。

曾被误解引以为豪

好玩的是，19世纪的人们正处于科学大发现的时代，他们对臭氧的误解给我们留下了许多谈资。

从19世纪下半叶到20世纪，臭氧被许多自然学家和养生爱好者视为环境中的一个健康要素。美国加州的博蒙特城官方骄傲地在当地明信片和商会信头上印上这样的宣传语——“博蒙特，臭氧之地”。

在户外工作的博物学者常常认为，更高的海拔处由于臭氧含量较高，对身心很有益。在美国夏威夷工作的博物学家亨利·欣赫恩就写道：“在较高的海拔处有相当不同的大气，有足够的臭氧能够维持必要的工作能量。”就连美国国父之一的本杰明·富兰克林也相信，流行病霍乱的出现与大气中缺乏臭氧有关。

今人可能会感觉上述说法太可笑。由于空气被电离后容易形成臭氧，电闪雷鸣频发之地都可以宣称自己是臭氧之地。最有资格被称为臭氧之都的地方位于委内瑞拉，那是卡塔通博河注入马拉开波湖之处。在这块小沼泽地，每年中有140至160个晚上（10月至11月是高发期）都会闪电，闪电每小时次数最高可达280，有资料称全球臭氧数量的10%是在这里产生的，因此被视为世界上最大的对流层（大气层最贴近地表的部分）臭氧产生地。

地面作恶毒害人畜

臭氧刚被发现不久，化学家就发现其危害：人体吸入臭氧后会胸部疼痛；小白鼠丢入臭氧容器后会很快死去；成年兔子吸入臭氧后1个多小时也会死去，症状和吸入氯气很相似。后来，人们证实臭氧具有极其强悍的氧化性。与高空臭氧的保护作用相反，地表的臭氧达到一定浓度后，对人畜动植物均有明显的负面作用，会让人头痛，还会刺激和损害眼睛、呼吸道等组织，对有机材料如乳胶、塑料和动物肺组织也有破坏作用。

美国加州大学1998年的一项研究认为，加州空气资源委员会（ARB）的臭氧数据和当地农业产量损失之间存在相关性，他们估计由于受臭氧影响，1993年全州农作物产量受损失程度不一，受损轻的如新鲜番茄小于1%，严重的甜瓜则受损超过30%。

同温层底部的臭氧能吸收掉短波紫外线（UV-C），大大削弱中波紫外线（UV-B）。但是，臭氧无法阻隔长波紫外线（UV-A），我们只能用防晒霜和衣物来加强防护。

鉴于臭氧的危害，世界卫生组织在2005年公布的空气质量参考指数中，建议把低于每立方米100微克的臭氧浓度（以暴露在污染环境下8小时为极限）定义为安全浓度；如果臭氧浓度高于每立方米160微克，则会影响敏感人群（如身体虚弱的孩子和肺病患者）的健康；若高于每立方米240微克，则会对所有人都产生危害。

臭氧浓时莫去户外

那么，在应对臭氧方面，我们应该怎么做呢？

高空臭氧源于自然，低空臭氧则是源于人类活动，更确切地说，主要是工业革命之后的产物。由能源使用、汽车尾气排放、工业工艺排放等产生的氮氧化物和挥发性有机物（VOCs），在阳光照射下发生二次光化学反应，就会形成大量臭氧。这种低空臭氧让工业化国家吃了不少苦头，他们从上世纪中叶就开始关注臭氧，当时以洛杉矶为代表的美国城市出现了严重的光化学雾，其主要成分就是氮化物和臭氧。在长期的研究和应对中，美国的一些做法值得我们借鉴。

在日常活动中，主动远离室外臭氧浓度高的地区。对此，世界卫生组织的建议是“尽量别在臭氧高发时待在室外”。这方面，包括孩子在内的易感人群尤其要当心。2002年，发表在英国《柳叶刀》杂志上的一项研究表明，因暴露在臭氧污染环境下，美国加州南部户外体育运动时间长的儿童，其患哮喘的几率是大部分时间留在室内儿童的三倍。美国为学校制定的“空气污染行动计划”，也将PM2.5和臭氧列为对儿童同等危险的污染物。无论PM2.5还是臭氧，只要空气质量指数超过200（相当于在臭氧浓度达每立方米225微克的环境下待了8小时），学校就要让所有孩子待在室内；对那些患有哮喘的儿童来说，该行动计划的指标还更低。

防臭氧口罩可呵护人体

在防护手段上，可借助专门制作的口罩来保护人体。笔者注意到，国内媒体在介绍臭氧的防护时，经常用“佩戴口罩无效”之类的语句。严格地说，这种表达不准确，应该说普通口罩的作用约等于零，只有专门加了碳层的口罩才有防护效果。这类特制的防臭氧口罩，最初是为电焊工特别设计的。电焊时，炫目的电弧光可以靠护目镜防护，但空气被电离后产生的臭氧浓度极高，是美国职业安全与健康研究所（NIOSH）规定标准的12倍之多，这使得电焊工的肺病发病率比常人高出很多，必须用特制的口罩才能防护。20世纪80年代的一项研究成果已经证明，含碳的半脸式口罩可以吸附98%的臭氧，所以在臭氧浓度较高环境下活动的人群可戴这种口罩。

在理论研究上，应积极探索臭氧发生的规律，预测臭氧数据。今年春天，美国哈佛大学发布了最新研究成果，研究人员利用美国1980年以来积累的臭氧浓度数据，开发出一个统计模型，首次可提前一个季度预测美国东部夏季月份的臭氧浓度。从准确率来看，这个模型还有待进一步修正，期待它在未来能进一步完善。