好臭氧vs.壞臭氧

好臭氧vs.壞臭氧
國立臺灣大學大氣科學研究所王啟芸研究生

眾所皆知，如果不是因為臭氧層的存在，吸收了大部分的紫外線，生物無法得以由海洋往陸地發展。因此，大家對臭氧的印象都是幫助生物生存與繼續演化的好角色。然而，在對流層的臭氧則扮演截然不同的角色。相對於平流層的「好」臭氧，我們也許可以稱對流層內的臭氧為「壞」臭氧，因為人類若暴露在過量的臭氧環境之下，容易產生急性呼吸道病變，並且容易引起氣喘患者的死亡。除此之外，植物若暴露在高臭氧濃度環境中，會降低其初級生產力。此外臭氧為溫室氣體的一種，人類污染所製造的臭氧因此會幫助全球暖化。

好臭氧和壞臭氧的產生方式也不盡相同(圖1)。平流層臭氧的形成主要是藉由氧分子被短波長的紫外線光解而產生氧原子，其再與氧原子結合所形成。而對流層中短波長紫外線微弱，因此臭氧主要是經由二氧化氮(NO₂)光解所產生的氧原子，其再與氧分子結合而形成。空氣在高溫燃燒下，會產生大量的一氧化氮氧(NO)以及一些NO₂，而大部分NO會迅速氧化為NO₂。因此人類燃燒活動，包括汽機車排放、工廠排放、生質燃燒等，都會間接影響臭氧濃度。像是VOC (Volatile Organic Compound, 揮發性有機化合物)更會加強這個過程。

一個地點的臭氧濃度，也可經由大氣的垂直與水平傳輸而改變。若上游臭氧濃度較高，當其氣流傳輸至下游時，會造成下游臭氧濃度增加；反之，較潔淨的氣流傳輸至下游時，會稀釋下游臭氧濃度。

圖一 區域臭氧濃度變化示意圖。

臭氧在對流層內與平流層中的形成方式不一樣，平流層中的產生方式以氧的光解產生的激發態的氧原子(O(¹D))，其藉由與背景介質(M)碰撞成為穩定態的氧原子(O)，氧原子與氧分子再結合形成臭氧。對流層內的臭氧藉由其他前驅物的化學反應生成，像是氮氧化物(NO_x = NO₂+NO)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH₄)；過多的水氣會與O(¹D)反應，進而抑制臭氧形成。這些汙染物來源可能是經由人為活動(交通活動與工廠排放)或是由自然源(植物與閃電)產生，同時也會經由傳送進入(垂直和水平)，直接影響臭氧或經由化學反應影響。

然而，並不是汙染物濃度越高，臭氧濃度越高。像氮氧化物(NO_x)、揮發性有機碳化合物(VOC)和臭氧之間就是非線性關係，三者關係所繪製的圖稱為EKMA Diagram (圖2)。假設圖上A點為初始NO_x和VOC的濃度，可以發現當NO_x濃度固定，則當VOC濃度增加時，臭氧濃度也增加；當VOC濃度不變而NO_x濃度增加時，臭氧濃度卻會下降。然而，三者在紅色軸線以下的關係並非如此。若B點為初始NO_x濃度和VOC濃度，則當NO_x濃度固定VOC濃度升高時，臭氧濃度無明顯改變；但是，當VOC濃度固定NO_x濃度增加時，臭氧濃度隨之下降。因此，不是一昧地減少NO_x(通常來自於汽機車排放)就可以達到臭氧減量的效果，還必須納入其他因素的考量。由於每個區域的初始NO_x和VOC濃度（或排放量）不一樣，所以其改變對臭氧濃度的影響也就不一樣了！

EKMA Diagram

圖2 NOx、VOC和臭氧關係圖。等值線為臭氧濃度，其間距為10 ppb。(摘自Jeffries和Crouse 1990年所作的亞特蘭大空氣軌跡化學模擬實驗)

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參考文獻

S., S., and P. J. S. (1995), Impact of temperature on oxidant photochemistry in urban, polluted rural and remote environments, J. Geophys. Res., 100(D6), 12.

王啟芸，2013，未來氣候變遷對地表臭氧之影響─傳送機制與大氣化學機制之探討，國立台灣大學大氣科學所碩士論文