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對流層臭氧

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[[File:對流層臭氧0.png|230px|thumb|有框|右|對流層臭氧。[https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=30007 原圖鏈接]]]
'''對流層臭氧'''（英語：Tropospheric ozone），又稱低層空氣中臭氧（Low level ozone），屬於一種對生物有害的污染物，是光化學煙霧（Photochemical smog）的組成部分之一，有時被稱為「有害臭氧」。因臭氧反應活性遠比氧（O2）強，是強氧化劑，對植物、動物及很多結構材料如塑膠、橡膠有害，會傷害人類的肺組織，嚴重時可能導致肺出血死亡，因此當空氣中臭氧含量過高時，一般建議老人和幼兒不宜於戶外作劇烈運動，以免吸入過量臭氧。<ref>[https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=30007 對流層臭氧（Tropospheric ozone）和平流層臭氧（Stratospheric ozone， Ozone layer）]科學ONLINE</ref>
==概述==
===認識臭氧===
臭氧（O3）是氧氣（O2）的同素異形體（allotrope），在常溫下，它是一種有特殊刺激味的淡藍色氣體。英文臭氧（Ozone）一詞源自希臘語動詞ozein，意為「嗅」。這個命名是1840年瑞士化學家Christian Friedrich Schönbein 提出的，1865年瑞士化學家Jacques-Louis Soret首次確定臭氧的分子式，1867年Schönbein證實這個分子式是正確的。
[[File:對流層臭氧.jpg|230px|thumb|有框|右|對流層臭氧形成的臭氧洞。[https://pweb.cwb.gov.tw/PopularScience/index.php/weather/359-%E8%87%AD%E6%B0%A7%E6%B4%9E 原圖鏈接]]]
===低流層臭氧===
在對流層裡存在的臭氧屬於一種對生物有害的污染物，是光化學煙霧的組成部分之一（而平流層（臭氧層）中的臭氧則是對生物至關重要的紫外線吸收劑）。許多涉及化學能量快速轉化的人類活動，如內燃機開動、複印機工作等等，都會產生臭氧，危害人類健康。經常用雷射印表機將會有臭氧的氣味，在高濃度時會中毒。臭氧（O3）是一種強氧化劑，容易與其他化學物質反應生成許多有毒的氧化物。

==形成==
對流層臭氧主要來自光化學反應——當混合著各種氮的氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和揮發性有機化合物（VOC，如二甲苯）的空氣在受到日光照射時，便會產生臭氧。氮氧化物和揮發性有機物因此被稱為「臭氧前體」（ozone precursors）。汽車尾氣、工業廢氣和化學有機溶劑是「臭氧前體」的主要人為排放源。儘管這些排放源大都集中在城市中，但一些物質（如氮氧化物）可以藉助風力擴散到數百千米之外的人口稀疏區，在那裡形成臭氧源。甲烷是對流層臭氧產生的另一元兇。這種揮發性有機物在大氣層中的濃度在20世紀經歷了大幅度增加，這大大加劇了對流層臭氧的形成，並且這種作用是全球性的，而氮氧化物和其他VOC的影響只是局部性的。由於上述區別，人們有時會特別使用「非甲烷VOC」（NMVOC）這一術語來特指除甲烷外的其他揮發性有機物。

==溫室效應==
對流層從地球表面延伸至10~18千米高度（其厚度與緯度相關），內部又可分為許多層，而臭氧主要集中在混合層（即從對流層到平流層的過渡區）。而在混合層下方，也就是絕大多數生物生活的高度（距地面0~10千米），臭氧的濃度相對很低，但由於它容易對人類健康產生不良影響，因此是一個亟待解決的環保問題。

對流層臭氧屬於溫室氣體。臭氧容易和空氣中的烴類氣體（如甲烷等）發生氧化反應，因此空氣中臭氧濃度的高低直接決定了上述烴類氣體在空氣中的存在時間。如今人們已經可以利用人造衛星測量對流層臭氧的濃度，針對地表臭氧濃度的測量需要利用原位監測技術。

==化學反應==
對流層臭氧的形成需經歷一系列複雜的化學反應，分別把一氧化碳和VOC氧化成二氧化碳和水蒸氣。下面我們僅列出涉及一氧化碳的反應，涉及VOC的反應與這類似。氧化反應首先發生在一氧化碳和有機物的羥基之間。此過程中形成的游離氫原子迅速被氧化成過氧基HO2，對流層臭氧主要來自光化學反應: 當混合著各種氮的氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和揮發性有機化合物 (volatile organic compounds , 簡稱VOCs，如二甲苯）的空氣在受到日光照射時，便會產生臭氧。

OH + CO → H + CO2
H + O2 → HO2
緊接著，過氧基將NO氧化成NO2，NO2在陽光照射下會發生光解反應，釋放出遊離氧原子。最後，極不穩定的氧原子O和空氣中的氧氣分子O2化合，就生成了終產物臭氧。上述反應可表示為：

HO2 + NO → OH + NO2
NO2 + hν → NO + O
O + O2 → O3
上面一系列反應的實際效果是：

CO + 2O2 → CO2 + O3
此一化學方程式似乎表明HOx和NOx總量在反應前後未發生變化，而事實上上述過程還伴隨著OH和NO2反應生成硝酸（HNO3），以及過氧基之間相互反應生成過氧化氫（即雙氧水），這些反應都會逐步減少生成臭氧過程中催化劑的數量。有揮發性有機物參與的反應比上面的過程複雜得多，但對生成臭氧而言最關鍵的一步——過氧基將NO氧化成NO2——與上面的過程是相同的。

==濃度==
大氣暖化會使平流層的臭氧更容易沉降到對流層。然而，一旦臭氧破洞完全補起來了，也就是平流層臭氧濃度恢復到原來的水準，有些地區的對流層臭氧濃度可能會大幅上升，到達原先的兩倍，特別是熱帶以南的南半球，例如紐西蘭。到那時，南半球一進入冬季，大氣暖化與滿載的平流層臭氧對於對流層臭氧的濃度，有相同的影響。

在冬季，對流層裡的臭氧濃度較高，因為從平流層沉降到對流層裡的臭氧較多，而且分解臭氧的自然機制在冬天較不活躍。<ref>[https://scitechvista.nat.gov.tw/c/skaW.htm 全球暖化下，對流層臭氧增加？]科技大觀園</ref>

==中毒==
氮氧化物和揮發性有機物因此被稱為「臭氧前體」（ozone precursors）。汽車尾氣、工業廢氣和化學有機溶劑是「臭氧前體」的主要人為排放源。儘管這些排放源大都集中在城市中，但一些物質（如氮氧化物）可以藉助風力擴散到數百千米之外的人口稀疏區，在那裡形成臭氧源。許多涉及化學能量快速轉化的人類活動，如內燃機開動、複印機工作等等，都會產生臭氧，危害人類健康。經常用雷射印表機將會有臭氧的氣味，在高濃度時會中毒。

屬於VOC的甲烷在大氣層中的濃度在20世紀經歷了大幅度增加，這大大加劇了對流層臭氧的形成，而且甲烷造成的影響作用是全球性的。相對之下，氮氧化物和其他VOC的影響只是局部性的。由於上述區別，人們有時會特別使用「非甲烷VOC」（NMVOC）這一術語來特指除甲烷外的其他揮發性有機物。

==影響==
===健康危害===
對流層臭氧對人類健康的主要危害有： 
* 刺激呼吸系統，導致咳嗽、喉嚨痛、胸悶等不適；
* 損害肺功能，導致氣喘、呼吸乏力，患者可能會因呼吸障礙而無法參加一些劇烈運動；
* 加重哮喘病情。當臭氧濃度高時，哮喘病人的急性發作和就診率會隨之上升，其原因之一就是在臭氧刺激下，人呼吸道對病原體的防禦力會進一步下降，容易引發哮喘急性發作；
* 增加上呼吸道感染患病機率；
* 引起肺泡膜發炎、受損。在幾天之內，被損壞的細胞會像曬黑後的皮膚一樣脫落，直到新細胞長成。動物實驗結果表明，如果這種情況長期得不到改變（可能是數月，數年，一生），可能會在肺組織中留下疤痕，導致肺功能受到永久損害，嚴重影響患者的生活質量。
有關組織對美國全國95個城市居民區中的住戶進行了一次抽樣調查，結果發現居住環境中的臭氧濃度與居民過早死亡率有密切關係。研究還指出，若城市中的臭氧濃度能下降三分之一，那麼全美每年將可減少約4000例死亡。

==影片==
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==參考資料==
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Hui0721

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