2019年5月23日那天，沿海某大城市出现了全年唯一的一天重度污染天气，污染物不是人们耳熟能详的雾霾或者叫PM2.5，而是一种令人心怀好感的物质——臭氧（O3）。

那一天，该市的臭氧浓度达到了266微克/立方米（国家达标浓度为160微克/立方米）。燃煤、机动车尾气、石油化工等排放出的“氮氧化物”和“挥发性有机物”是造成污染的原因之一。

警惕过度排放造成的“蓝天白云”

图源：《哈尔的移动城堡》

每年的9月16日是国际臭氧层保护日，今天就来带大家认识臭氧和臭氧层的那些事。

1995年1月23日，联合国大会通过决议，确定从1995年开始，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。旨在纪念1987年9月16日签署的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，要求所有缔约国根据“议定书”及其修正案的目标，采取具体行动纪念这一特殊的日子。

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“臭氧”真是臭的

人们对地球大气中的臭氧（O3）并不陌生，它是三原子氧，是普通氧气的同胞兄弟，最早提出臭氧作为一种物质存在的是德国科学家万·麻鲁（Van Marum），他在1786年的静电实验中发觉了臭氧气味的存在，并在一些化学反应过程中以及大气中的一些放电过程中也有类似气味，当时没有对这种物质冠以专门的名字。 1839年德国化学家斯考宾（C.F.Schonbein）在实验中再次发现具有这种气味的物质并用希腊文命名为OZEIN，意思为发臭味的物质。后来许多物理学家和气象学家在实验室内以及通过光谱观测证实了臭氧作为一种物质的存在。

臭氧分子结构模型

图源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1620628950216013700

通常情况下，臭氧其实是无味气体，但是，当空气中臭氧浓度达到10-6左右时，便能嗅到这种发味物质的特殊刺鼻味道。人们在雷电天气或在有放电作业的场合中往往可以嗅到臭氧的味道。

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披在地球外的“宇宙服”

地球近地层大气中的臭氧主要分布在10到50公里之间的大气层中，尤其集中在20到50公里范围内，而大气低层的臭氧含量较少。

20-50公里范围内臭氧浓度常超过10*10-6（体积比），低层臭氧典型浓度为0.005*10-6～0.05*10-6（空气未污染时的体积比）至0.5*10-6（空气受到污染时的体积比）。

图源：中国气象局网站

低空臭氧

低空的臭氧一部分由闪电或有机物氧化产生，另一部分从高空输送而来。随着城市化和城市交通的发展，汽车尾气排放的污染化合物在强烈阳光照射下，产生的臭氧是造成城市臭氧污染的重要因素之一。

高空臭氧高空臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。太阳光线中的紫外线分为长波和短波两种，当大气中的氧气分子受到短波紫外线照射时，氧分子会分解成原子状态。

大气中的臭氧总量很少，对横截面积为1cm2的整个铅直大气柱中的臭氧，折算至标准状态（气压1013.25hPa，温度0℃），臭氧的总累积厚度平均约有3mm。就像是一件披在地球外“厚度为3mm左右的“宇宙服”。

臭氧总量的分布随纬度和时间而不同，很长一段时间以来，臭氧含量虽然随时间和空间有较大的变化，但臭氧总量变化大约在300DU(DU为臭氧陶普生单位)左右。直到20世纪80年代，科学家们发现大气中的臭氧层在变薄，并在南极地区出现了臭氧空洞。

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“南极臭氧洞”的发现

人类发现臭氧已经有一百年的历史。距离地面20~25公里的地方，属于地球大气层中的臭氧层，当太阳光穿过臭氧层时，臭氧能吸收99%以上对人类有害的太阳紫外线，保护地球上的生命免遭短波紫外线的伤害。所以，臭氧层被誉为地球上生物生存繁衍、人类赖以生存的保护伞。

图源：中国气象局网站

根据卫星实测数据给出的南极臭氧分布水平，其中蓝色和紫色显示臭氧水平较低，红色和黄色显示臭氧水平较高。

图源：中国气象局网站

1985年，科学家注意到英国南极Halley湾站在春季出现显著的臭氧总量下降的趋势，并于1985年正式提出南极“臭氧洞”的概念，后来通过卫星的遥感观测，确认了“臭氧洞”是南极大陆地区大范围的现象。“南极臭氧洞”指地球南极地区大气臭氧总量在春季大面积持续低于220DU。

历年南极臭氧分布水平图

图源：科普大世界

臭氧层破坏是全球性环境问题之一，自70年代以来就开始受到世界各国的关注。“南极臭氧洞”问题出现之后，国际上保护臭氧层的呼声不断高涨。1980年联合国环境署建立一个臭氧层问题协调委员会，提出了臭氧耗损严重威胁着人类和地球生态系统这一评价结论。

1985年3月在奥地利首都维也纳通过了《保护臭氧层维也纳公约》，该公约从1988年9月起生效。这个公约只规定了交换有关臭氧层信息和数据的条款。1987年9月16日在加拿大的蒙特利尔会议上，通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并于1989年1月1日起生效。“蒙特利尔议定书”规定，参与条约的每个成员组织（国家或国家集团）将冻结并依照缩减时间表来减少5种氟利昂的生产和消耗，冻结并减少3种溴代物的生产的消耗。

04

臭氧也会给人类捣乱吗？

约25亿年前，地球上的气体氧很少，太阳光线中的紫外辐射可直接到达地球表面，太阳辐射的总能量中，紫外区段占到近1.5％。高能量的紫外辐射对化学进化乃至生命诞生的化学反应起到很重要的作用。大气臭氧层主要有三个作用。其一为保护作用，其二是加热作用，其三是温室气体的作用。

臭氧是把双刃剑，在距离地面30公里左右的高层大气中，臭氧是人类赖以生存的保护伞，但在近地面，他便成了令人讨厌的污染物：刺激人的呼吸道，造成咽喉肿痛，胸闷咳嗽，引发支气管炎和肺气肿；造成人的神经中毒，引发头晕头痛，视力下降，记忆力衰退；对人体皮肤中的维生素e起到破坏作用，导致人的皮肤起皱，出现黑斑；破坏人体免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老。复印机墨粉发热产生的臭氧及有机废气更是一种引起多种疾病的有害物质。

健康的臭氧层才是最好的“抗老神器”

图源：《哈尔的移动城堡》

在大城市，夏季午后的湛蓝天空，往往被人们认为是这个饱受雾霾之苦的城市一年之中空气最好的时候。但此时往往是一天之中臭氧污染浓度最高的时候。太阳光越强，臭氧浓度越高。夏季和午后最严重，中午1点左右出现峰值，下午2～3点持续高值，到傍晚5点左右浓度逐渐降低。在一年之中，臭氧浓度一般从5月份开始增长，到8月达到最高点，进入秋季后逐步降低。

能够被妥善利用的臭氧可以净化空气、饮用水，用于养鱼、浇花、洗浴、美容、保健、处理工业废水、消毒灭菌、预防感染病、果蔬保鲜、防霉、除臭等。

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保护臭氧层

保护地球生命

全球范围内大气臭氧层的耗损和南极臭氧洞的出现是大自然给人类亮出的一张黄牌。我国政府十分关心保护大气臭氧层这一全球性重大环境问题。中国作为发展中国家，严格执行《议定书》的规定，控制ODS （臭氧层耗损物质）物质的排放，已于1999年7月1日冻结氟氯化碳的生产，2010年之前全部停止生产规定的5类20种消耗臭氧层物质。

图源 中国天气网

香港科技大学资深大气科学家刘启汉说，“臭氧是个极大的问题。但我们对构成它的组分以及如何控制它们的了解，却显得那么不足。”

极端天气增多、城市加速工业化进程背景下，复杂的大气化学反应加剧了臭氧控制的挑战。作为在大气臭氧层这把“保护伞”下生活的我们应当：

尽量不使用消耗臭氧层的物质，如不使用含氟冰箱，不使用哈龙灭火器（1301,1211灭火器），不使用四氯化碳做清冼剂等。

增强保护大气臭氧层的意识，我们只有一个地球，拯救臭氧层就是保护我们自己。

作者：上海市气象学会 徐建中

编辑：九大一、zhuo.

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