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氧氣污染從何而來?

發布日期:2021-09-18 15:31 瀏覽次數: 字體:[ ]

引言

黨的十八大以來,通過實施《大氣污染防治行動計劃》《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》等,我國空氣質量明顯改善,人民群眾的藍天幸福感和獲得感極大提升。空氣質量的持續改善離不開科技支撐,國家大氣污染防治攻關聯合中心將通過系列文章,向大家解讀大氣污染防治科技攻關項目的最新研究成果和污染防治相關政策措施。本期為大家帶來“我國臭氧污染成因”專題的解讀。

臭氧的“雙重身份”

臭氧(O3)有“亦正亦邪的雙重身份”,一個是始終保護著地球的衛士,另一個則是污染物。這是怎么回事呢?

平流層O3(距地面約20~30km)能夠強烈地吸收太陽紫外輻射,像一道天然屏障保護著地球生物圈,使動植物免受危害,因此平流層O3被稱為“地球的保護傘”,也被稱為“好臭氧”,需要加以保護。

但是在對流層中,O3卻是一種污染氣體,同時也是重要的溫室氣體。對流層O3不僅能吸收地氣系統的長波輻射從而加熱大氣,還可以參與大氣光化學反應,進而改變其他溫室氣體的含量和分布,影響地氣系統的輻射平衡。特別是高濃度的近地面O3(地面至2 km左右)將引發城市光化學煙霧,影響人類健康,對植被和農作物也會造成嚴重影響。因此對流層O3被稱為“壞臭氧”,需要降低其濃度。目前針對O3污染的研究主要集中在對流層O3

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平流層O3和對流層O3

O3污染從何而來?

對流層O3污染一方面來自于自然界。其中,平流層O3入侵是重要途徑之一,但其平均貢獻不足10%,且主要影響的是對流層上部,對低海拔地區近地面O3的影響很小。其次,自然界產生的氮氧化物(NOx)(土壤、閃電等)與植物排放的揮發性有機物(VOCs,甲烷、萜烯類化合物)反應也會生成O3

對流層O3污染更重要的來源是人為源排放前體物的化學生成。人類活動排放了大量的NOx和VOCs,和天然源一起在環境中通過復雜的光化學反應生成O3。大氣光化學反應生成O3的機理較為復雜,但是目前有關其機理的認識基本明確。下面這張示意圖中,紅色的“NOx循環”(主要由NOx參與)和綠色的“ROx”循環(主要由VOCs參與)相互作用,導致環境中O3積累、濃度上升。

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O3生成機制簡化示意圖

(圖源:Wang et al., 2017)

O3污染是如何產生的?受什么因素影響?

環境空氣中的O3濃度受到背景值、區域和局地化學生成、沉降以及化學去除的綜合影響,攻關研究結果表明,O3污染的形成可以從前體物排放、化學轉化、氣象影響和三維傳輸等方面進行解析。

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城市(區域)O3污染成因概念圖

圖源:北京大學

前體物排放居于高位及其化學轉化是O3污染的主因。排放清單研究表明,我國人為源VOCs排放主要來自機動車、工業涂裝、建筑涂料與膠粘劑、石化、通用型防腐涂料、油品儲運銷、居民生活能源使用、生物質露天燃燒、焦化、印刷等,排放量在2600–2900萬噸/年的范圍內波動,天然源VOCs排放量與人為源排放幾乎相當。NOx排放主要來自移動源、電力供熱、鋼鐵、工業鍋爐等人為源,排放量自2012年的峰值約2900萬噸逐漸下降到2020年的約2200萬噸。美國2020年人為源VOCs排放量約為1700萬噸,NOx排放量約為800萬噸,與之相比,我國VOCs和NOx排放量依然處于高位。化學機理研究顯示,在城市層面上O3生成對人為源VOCs排放十分敏感,在區域層面上對于NOx和VOCs排放均比較敏感,在郊區等天然源VOCs排放高的區域通常對于NOx更為敏感。

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全國人為源VOCs(左)、天然源VOCs(中)和NOx(右)排放強度分布

數據來源:清華大學、中國環境科學研究院

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2010-2020年全國人為源VOCs排放變化

圖源:清華大學

氣候與氣象條件是O3污染形成的關鍵驅動因子。長期氣候效應研究顯示,氣候變暖會引起全球O3濃度升高,在城市群及周邊等人為活動影響顯著的地區,由氣候變化引起的溫度每增加1攝氏度,O3增加0.4~4微克/立方米;在20–30年的時間尺度上,全球氣候變化對我國重點區域夏季O3濃度變化的影響范圍約為+1~+16微克/立方米。小風、高溫、低濕、少雨、高日照時數是易導致O3超標的典型氣象特征。從重點區域來看,氣溫、輻射和相對濕度是影響O3污染的最主要氣象要素,但在不同區域,各類氣象要素的重要性排序明顯不同。從典型城市來看,對北京4~10月O3逐日變化影響最大的氣象要素為溫度;上海春秋季對O3逐日變化影響最大的氣象要素是溫度,夏季則是相對濕度。

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(a)氣候變化和(b)人為排放變化導致的1980–2010年夏季O3濃度的變化

圖源:Fu and Tai, 2015

三維立體傳輸是O3污染發生發展的重要影響因素。在垂直方向上看,近地層O3垂直交換具有普遍性,邊界層垂直交換對地面O3濃度貢獻約為19%~47%。在水平方向上看,由于O3在大氣中的壽命(7–21天)比NOx(約1天)和活性VOCs(數小時)長很多,這就意味著O3能夠比它的前體物傳輸長得多的距離。因此,大范圍、跨區域(跨省)的O3污染輸送通常以O3自身為主;短距離、相鄰城市間的O3污染輸送呈現O3及其前體物混合輸送的特征。

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O3及其關鍵前體物的壽命和傳輸距離

圖源:北京大學

O3污染的防治既是區域性難題也是全球性課題,作為對流層最重要的污染氣體和溫室氣體之一,O3污染科學防控亟待在人類命運共同體理念下開展國際合作。我國作為全球主要的工業國和最大的市場之一,在減污降碳協同治理的過程中要積極發揮各方面的引領作用。


參考文獻:


Wang et al., 2017. Ozone pollution in China: A review of concentrations, meteorological influences, chemical precursors, and effects, Science of The Total Environment, 575: 1582-1596.

Fu, Y., and Tai, A. P. K., 2015. Impact of climate and land cover changes on tropospheric ozone air quality and public health in East Asia between 1980 and 2010, Atmospheric Chemistry and Physics, 15(17): 10093-10106.



素材來源:國家大氣污染防治攻關聯合中心

匯編整理:《VOCs前沿》微信公號(圖片轉注者)

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