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臭氧監看追上雲端

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范賢娟｜臺灣師範大學科學教育研究所

提到臭氧，大家很容易想到在地表高空20公里左右的臭氧層，那是陸地生物的保護網。陽光中的紫外線對地球生物有殺傷力，在原始大氣還不含臭氧的時候，生物僅能生存在水中，藉以隔絕紫外線的傷害。後來空氣中的臭氧慢慢增加，在高空形成一個保護層之後，生物才有機會到陸地生活。

就化學性質而言，臭氧屬於強氧化劑，人體如果直接接觸會使黏膜受到刺激，造成肺功能衰退，眼睛不適，甚至出現頭痛、疲倦等症狀；它還會影響植物的正常功能，促使莖葉枯黃。由於臭氧對人類的影響好壞參半，因此監控地表臭氧濃度成了相當重要的工作。

目前還沒有控制臭氧的理想方式，這也成為台灣當前最嚴重的空氣汙染問題，解決之道必須先從臭氧汙染的形成機制著手分析。輔英科技大學環境工程與科學系林清和教授針對位於地面數十公尺以上至兩公里以下大氣垂直剖面的臭氧濃度，從其空間與時間變化特性來了解台灣的臭氧汙染問題。

台灣臭氧的前驅物大多由西部平原的汽、機車或工廠產生，因為白天吹海風的關係，通常會把汙染的空氣往內陸吹，再加上反應需要時間，會有2 ~ 4個小時的延遲，所以臭氧濃度最高的地方是在南投埔里、美濃等內陸接近山區的地方。

另外，南部地區臭氧汙染最嚴重的時候出現在秋天高壓迴流時，這時西部與南部地區位於中央山脈的背風處，通風擴散條件不佳，且東北季風會把北部、中部地區的汙染物傳送到南部，加上南部地區自身排放的汙染物，造成南部尤其是靠近山區的地方，容易出現非常高的臭氧汙染。因此林教授選擇秋天去美濃觀測大氣垂直剖面的臭氧濃度變化。

以往大家以為地面臭氧的變化是日變化，白天光照才會產生，濃度大約有80 ~ 100 ppb。到了晚上，則因為乾沉降，臭氧附著在地表很快就起反應而消失，在沒有光照的情況下還會與一氧化氮起反應而有所消耗，因此地面測站的量測值的確小於10 ppb。然而數十公尺以上至2公里以下的高空呢？

過去曾有人研究內陸平原地區大氣垂直剖面的臭氧分布，發現夜晚臭氧濃度低的範圍僅局限在大約數十公尺的高度以下，但在數十公尺以上至2千公尺左右的空中，臭氧濃度仍與白天相當，可達80 ~ 100 ppb。這是因為晚上地表冷卻後空氣穩定，不易有上下對流，無法把這一層臭氧帶到地面進行乾沉降或與一氧化氮反應而消耗，所以就被保留下來，形成「臭氧儲留層」。等到白天日出以後地面受熱，對流又開始，會慢慢把儲留層的臭氧帶下來，9點、10點時地面臭氧濃度很快又會飆升。

林教授在2006年秋季採用繫留氣球搭載臭氧探空儀，以取得不同高度的臭氧濃度，發現台灣南部地區臭氧儲留層發生的原因與過去內陸平原的發現不同，且更富動態的變化。它並非由日落後的地表冷卻所發生，而是由於海風帶進冷空氣所造成，因此，台灣南部地區的臭氧儲留層在下午就開始形成；其次是從海面上吹進來的空氣比較乾淨，因此南部地區臭氧儲留層在800公尺高度以下的濃度較低，最高濃度多在800 ~ 1,200公尺處。

此外，到了晚上10點左右改吹陸風，陸地上會有下沉氣流，導致午夜之後整個臭氧儲留層開始下降，大概會從1,200公尺降到800公尺。等到第2天地表對流開始，會把儲留層的臭氧帶下來，導致地面臭氧濃度快速地上升。林教授估計南部地區地面臭氧監測濃度的50 ~ 60％來自臭氧儲留層，這比率雖高，但因為發生於日出之後，所以容易被忽略，多數的人會誤認為這是陽光照射的光化反應產生的，因此容易把臭氧的汙染機制弄錯。這可能是台灣地區臭氧汙染一直無法有效控制的原因之一。

林教授表示，如果能長時間在多個地區進行臭氧儲留層的觀測研究，台灣地區臭氧汙染累積的機制會更清楚正確，將有助於提出更有效的臭氧汙染防制建議。

資料來源

《科學發展》2012年10月，478期，74 ~ 75頁

臭氧(15) 對流(9) GPS(45) 氣流(18) 一氧化氮(9) 東北季風(8) 科發月刊(5210)

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