焦點問題：大氣臭氧

十九世紀末，科學家就開始測量大氣中臭氧含量；到了二十世紀末，幾乎人人均知道南極上空破了一個大洞，並且知道未來二十一世紀內，全球氣候將增溫且明顯改變，但是有多少人（包括科學家）能明確分辨大氣中臭氧在整個全球污染問題中所扮演的角色？

臭氧問題可分三項說明：對流層頂以上臭氧、對流層內臭氧與近地面臭氧。大氣中對流層頂平均約在10公里處，隨緯度與季節而變動。

對流層頂以上的臭氧

1985年美國人法曼（Farman）指出，南極哈雷海灣（Halley Bay）上空總臭氧，自1979年每年春天十月不斷減少（見圖一）。美國人在1986年利用衛星資料，證實南緯45度至南極間，有一明顯的臭氧洞在春天出現。依過去三十年資料，1987年春季總臭氧為有史以來最低，且較1956∼1978年春季已減少約50％ 。1988年回升，但1989年、1990年持續下降，1990年接近1987年的水準。至於去年（1991年），依輿論報導，似已打破1987年的最低量，不過目前尚未接獲確切的科學論文分析。

垂直空氣柱內總臭氧減少，主要是位於對流層頂以上的臭氧分子正在減少，大致上南極上空離地15∼20公里的臭氧已減少約95％。顯然地，高層臭氧的逐年減少，為臭氧洞的主要「震央」。

此外，流動的大氣並未將全球臭氧阻隔於南極臭氧之外。分析1965∼1986年全球總臭氧觀測資料，科學家指出北緯30∼64度之間，冬季總臭氧已減少約4％，且緯度愈高愈明顯，主要減少區域亦是在對流層頂以上。北歐地區的垂直臭氧觀測資料顯示，上空20公里附近臭氧自1969年以來已減少13.3％，且正以每年減少0.5％的速率進行中。

為何全球總臭氧正在逐年減少？為何臭氧減少主要發生在離地20公里附近的臭氧層？為何減少最顯著的地區在南極臭氧洞，且是在春季？為何北極又不出現類似的大洞？更重要的是：全球臭氧減少，對人類又有何影響？

基本上，冷氣機、噴霧器等釋放出的氟氯碳氫化合物（CFC）在對流層內為化學惰性物質，但進入對流層頂以上大氣後，能吸收紫外光線，並分解釋放出氯氣。氯氣則再與臭氧反應，還原臭氧為氧，但氯氣本身並未遭破壞，而致臭氧不斷減少，氯氣卻能長期（五十年以上）滯留在高層大氣中。所以長久以來，科學界就預測臭氧層將漸遭破壞。不過由於氯能與其他物質反應，形成如HCl、ClONO₂等氯氣貯存物質，延緩臭氧遭破壞的速率。但是，在南極上空20公里高度的附近，冬天極夜期間溫度下降至約－80℃，形成所謂「極區平流層雲」（polar stratospheric cloud; PSC）, HCl與ClONO₂等在此冰晶雲的表面，迅速進行異質反應釋放氯氣，並在初春陽光照射期間迅速進行臭氧還原反應，而致南極臭氧洞都是在春天發現。但在初春約一個月後，氯氣又逐漸轉變為HCl、ClONO₂等物質，停止臭氧破壞工作（見圖二）。

此時赤道至南緯45度間的臭氧，經由大尺度波動往南極傳送，而致緩緩填補破洞。當然北半球各地區臭氧，也受南、北半球間氣流傳送，而致緩緩下降。由於全球性臭氧經光化反應生成，再填補到各臭氧減少地區的速率，受限於大尺度氣流傳送緩慢，所以南極臭氧洞也就逐年惡化，破洞似乎一年大於一年。

至於北極地區冬天極夜期間亦有PSC雲出現，但往往由於溫度下降不足，而致PSC雲出現頻率不高且持續時間短，所以臭氧破洞現象雖然每年初春亦可觀測到，但其規模遠小於南極臭氧洞。主要原因乃是北半球地形複雜，所以由地表面往上傳送的重力波，能影響對流層頂以上的大氣波動運動。事實上，過去北極對流層上空經常在冬天出現突然增溫現象，減少臭氧可能遭破壞的機會。

以上問題，輿論均曾密切報導過。若曾注意到所謂的「蒙特婁公約」，則必定也已了解全球正努力減少釋放造成臭氧層破壞的元凶──氟氯碳化合物。工商業界人士更知道：若台灣不趕緊參與「蒙特婁公約」的簽署，則在二十一世紀初期將受到嚴厲的經濟制裁。為什麼？因為人類再不及早合力制止大氣中CFC持續的增加，未來的一百年將目睹全球臭氧層遭受更嚴重的破壞。

對流層內的臭氧

相對於對流層頂以上臭氧逐年減少，對流層以內臭氧卻在逐年增加，不過，增加的數量仍不足以抵消高層臭氧減少的數量，事實上兩者相差在好幾個數量級以上。可是，對流層內臭氧的逐年增加，卻正密切配合著對流層內CO₂、CH₄、N₂O、CFC等的增加，這些氣體均是一般所稱的「大氣溫室氣體」，也就是未來能加強「大氣溫室效應」，並促使全球地表增溫的問題氣體。

相對於其他大氣溫室氣體來說，對流層內臭氧對於大氣溫室效應的影響約僅占10％。但比較值得注意的是：臭氧是溫室氣體中，唯一非直接自污染源釋放者，而是從大氣中許多人為釋放的NO_x、碳氫化合物、CO等經光化反應而生成的。簡單的說：CO₂、CH₄、N₂O、CFC等是對光化反應較為遲鈍的物質，因此若能掌握此類來源的釋放量，或許應能逐步減少此類氣體在大氣中的累積量。但是對流層內臭氧的污染源非常複雜，也非常難控制。

在清潔的環境內，自然界所釋放的CO、CH₄以及植物釋放的碳氫化合物，即與天然瓦斯中的NO，進行光化反應，產生臭氧。而在污染嚴重地區，車輛所排放的碳氫化合物與NO，會進行光化反應產生臭氧。重要的是：這些光化反應是持續進行的，是藉著氣流擴散，緩緩蔓延到整個對流層內。所以自然界生成臭氧的機制與污染區生成的會混合在一起，而致延長臭氧生成期，造成整個對流層內臭氧的累積。

明顯地，對流層內臭氧的緩緩增加，反應著整個科技文明正努力於提升人類生活品質的成果。相對的，要控制住對流層內臭氧減少，就可能是要降低生活品質，因為只有如此，才可能減少全面性的各類空氣污染物進入大氣，並逐步減緩光化反應生成臭氧。

近地面的臭氧

筆者近年來正努力推動建立永久性的近地面「氣候與空氣品質台灣站」（Climate and Air Quality Taiwan Station; CATS），相助的外國朋友乃以「貓」稱之。CATS要測量的一項空氣品質物質就是「臭氧」，也是環保署各空氣品質測站所監測的空氣品質項目之一。許多友好均詢問：為何要到偏僻清潔地區測量臭氧？

研究空氣污染者都知道：城市地區臭氧在日出後逐步累積，到中午後達到高值，然後緩緩減少，到日落後降到最低值，然後維持此低值到第二天日出。最低值約小於10ppb，而最高值則可高於120ppb以上。依環保署標準，超過120ppb就對人體有害，應該發布空氣污染警報。這種單尖峰型的臭氧變化，在台北、台中、高雄等地均可見到。事實上，國內臭氧污染非常嚴重，一年內中、南部均有超過50個小時以上，臭氧濃度大於120ppb的紀錄，而在台北地區也不少於30次。

當然近地面臭氧源自汽車排放的NO_x與碳氫化合物，經光化反應而生成，因此愈在氣流下游地區臭氧值愈高。此現象在美國東岸鄉村地區臭氧濃度反高於城市地區的，可以證明。

那麼在非常偏僻清潔地區測量臭氧，會看到什麼樣的現象呢？今年十月CATS在墾丁鵝鑾鼻進行觀測，發現在東北季風盛行時，風速持續在每秒10公尺以上，也即是1小時內空氣行走36公里，臭氧值約為50ppb。最重要的是：沒有日夜變化，沒有午後尖峰值，一天內毫無變化，都是在50ppb上下。簡單地說，我們在鵝鑾鼻測到來自東北方向的上游來源，許多污染物經光化反應後，生成高臭氧濃度，然後緩緩地順風而下，移到台灣東岸。有趣的是，在九月期間，當南風仍相當強盛時，鵝鑾鼻CATS所測到的臭氧約為15ppb，且同樣無日夜變化。明顯的，南風氣流上游，無重要污染源，而東北風上游卻有污染源（見圖三）。

近地面臭氧測量可說是近代大氣化學研究的重點，在城市與鄉村地區，高濃度臭氧與明顯的單尖峰型日夜變化，對人體健康尤其是呼吸器官與眼睛，有相當影響。在偏僻地區，臭氧濃度無日夜變化的單一值，卻能呈現出上游空氣源的污染狀況。更重要是：大氣中CO₂、CH₄、CFC及N₂O等並非完全不進行化學反應的，一旦在空氣中測到高臭氧值，幾乎可確定是在進行充分的化學反應，因此也意味著CO₂、CH₄、CFC及N₂O等正在改變其化學特徵，這更值得密切追蹤。

近年來，無論是城市空氣污染問題或全球大氣污染問題，均可注意到科學家提出「臭氧」在該問題中扮演的重要角色。在國內，我們無法奢言了解全部真象，並能尋找解決之道。但努力於建設自己的測站，從事監測附近地區近地面的臭氧變化與高空臭氧濃度的改變，至少是我們分內應盡的義務。

柳中明任教於台灣大學大氣科學系

回到最上面

科學月刊全文資料庫

最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器

科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有
Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc. All Rights Reserved.