空氣汙染科學數據背後之城市綠化和空汙處理的政策啟示

作者:詹詒絜

歐盟Erasmus Mundus計畫環境科學、政策與管理碩士生,台灣青年氣候聯盟理事

特約編輯:詹詒絜

 


前言

空氣汙染長期以來是台灣面臨的其中一個重大環境議題,台灣空氣中汙染物的濃度,如:懸浮微粒(Particulate matter, PM)和臭氧(O3),時而遠高於國際標準,對人體的健康造成威脅。當秋冬之際,東北季風將中國北方的汙染物帶至台灣,進一步惡化了台灣的空氣品質。不幸的是,一旦空氣中含有許多汙染物時,就難以再把這些汙染物從空氣中移除,原因在於汙染物會彼此混合在一起,甚至擦撞產生化學反應,產生更多的汙染物。因此,在制定改善空氣品質的相關政策時,了解空氣汙染相關科學原理或數據是必備的,如此才能夠「對症下藥」,用最有效率的方式處理空氣汙染之議題。本篇文章將以臭氧和城市綠化的例子來說明此必要性。

 

臭氧概念

臭氧是大氣中其中一項主要氣體,並同時存在於平流層和對流層。大眾對於臭氧的概念可能大多侷限於臭氧是個有益的氣體,因為這種氣體能夠吸收太陽中的紫外線,以保護地球表面生物不受紫外線傷害。在平流層中的臭氧的確具備這樣的功能,當平流層擁有越多臭氧,屏蔽紫外線的效果就越強大,便越可以保護生物。然而,在對流層中的臭氧卻對生物造成極大威脅。由於臭氧的反應活性比氧(O2)還強,可以成為一種強氧化劑,和其他化學物質反應產生各種有毒的氧化物,並對生物產生負面影響,如:傷害肺組織、呼吸道、中樞神經以及眼睛,當人類吸入過多的臭氧時,甚至可能產生肺出血而死亡。因此,與平流層相反,在對流層中的臭氧量是越少越好。

 

臭氧形成

在對流層中的臭氧量主要來自兩種物質的化學反應:二氧化氮(NO2)和揮發性有機化合物(Volatile Organic Compound, VOC)[1]。首先,空氣中的氫氧自由基(OH radical)反應先把揮發性有機化合物中的氫抽取出來變成水蒸氣(step 1),而單獨成為一個反應物的揮發性有機化合物進一步與反應活性非常強大的氧(O2)反應形成過氧自由基(peroxy radical)(Step 2)。當過氧自由基碰到一氧化氮(NO)時則形成二氧化氮(NO2) (Step 3),而二氧化氮遇上光化學反應則分解成一氧化氮(NO)及O(3P)(Step 4),最後O(3P)再和氧(O2)反應成臭氧(Step 5)。以下為臭氧形成的整個化學過程:
Step 1: RH (揮發性有機化合物)+ .OH→R.+H2O
Step 2: R.+O2→RO2.
Step 3: RO2.+NO→NO2+RO.
Step 4: NO2+hv(光分解作用)→NO+ O(3P)
Step 5: O(3P)+O2→O3
另外,除了揮發性有機化合物會合成許多的二氧化氮外,若空氣中有過多的二氧化氮,在沒有揮發性有機化合物的情況下,其本身也可以遭遇光分解作用而形成臭氧(從Step 4開始)。然而,過多的揮發性有機化合物無疑地增加了二氧化氮在空氣中的含量,因此這兩者氣體皆是形成臭氧的最大貢獻者。

 

臭氧來源

了解對流層中的臭氧形成之後,我們不禁要問空氣中的二氧化氮和揮發性有機化合物又分別從哪裡來呢?首先,二氧化氮大多是在高溫下,由氮氣和氧氣共同結合產生(2O2+N2→2NO2),因此,二氧化氮也是燃燒過程中的生產物,例如:在石化燃燒過程中形成。在這個化學反應中,二氧化氮的化學來源主要就只有兩個:氧和氮。而主要排放源則像是內然發動機、火力發電廠、製漿廠、汽車廢氣排放……等,這些二氧化氮的來源主要都是來自「人為活動」。
揮發性有機化合物的化學來源比二氧化氮複雜許多,由於其揮發性有機化合物又可被分成八大類,其化學來源則相對非常多元,而揮發性有機化合物本身是個各種不同化合物的集合體總稱,因此其也包含諸多種不同的氣體和化合物。揮發性化合物的來源可分成「人為活動」和「自然形成」下的產物。由人為活動所產生的來源有燃料的燃燒和交通運輸的廢氣,例如:戊烷(pentane)是汽油中的一項主要成分,同時也是揮發性有機化合物的來源。在燃燒和排放過程中,戊烷被釋放出來,進而造成揮發性有機化合物在空氣中的比例增加。至於自然形成的揮發性化合物,我們主要歸類其為生物源揮發性有機化合物(Biogenic Volatile Organic Compound, BVOC),其中超過百分之六十的來源是異戊二烯(Isoprene),(洪淑綾,2010) 一種四季常綠的樹木在高溫下最容易產生的物質。硬木類的樹木特別是白楊樹、橡樹、尤加利樹、柳樹、大楓樹等最會產生異戊二烯,而常用的行道樹如大葉桉、楓香也非常容易產生生物源揮發性有機化合物。[2]

 

科學原理和數據背後的政策啟示

上述關於臭氧形成的科學原理和數據實際上內含許多對於綠化城市政策和處理臭氧汙染政策的啟示。

首先,綠化城市固然有諸多層面的益處,但考量到樹木是揮發性有機化合物來源的大宗以及氣候有越趨高溫的現象,在做綠化城市規劃時則要盡可能的慎選物種,將「自然生成」的影響盡量降到最低。

另外,由於城市中的運輸和燃燒廢氣相對於郊區與山區多許多,其中內含的二氧化氮也比較多,自然很容易和樹木所排放的生物源揮發性有機化合物形成臭氧。然而,如果是在郊區或山區種植這些樹木,其所排放的揮發性有機化合物在幾乎沒有二氧化氮的環境下,則對人體傷害不大。因此,種植樹木並不是完成有益或無害,端看樹木被種植在哪裡,以及其周圍的空氣環境。因此,制定關於控制對流層中臭氧的相對應政策也非常需要將這些化學原理和數據考量進去。

誠如上述,形成臭氧的主要兩種物質為二氧化氮和揮發性有機化合物,我們不禁要問:「所以在減少臭氧的政策當中,是控制二氧化氮比較有效,還是控制揮發性有機化合物?」,要回答此問題必須回歸二氧化氮和揮發性有機化合物的來源。

首先,二氧化氮的來源主要是「人為活動」所造成,並且主要只有「氮氣」和「氧氣」兩種物質;然而,揮發性有機化合物的來源有「人為活動」和「自然形成」,化學來源則非常多元,遠遠超過於兩種物質。因此,二氧化氮在空氣中的含量則比揮發性有機化合物還來得容易控制,也是比較有效的辦法。針對減少空氣中二氧化氮濃度相對的政策則像是對於交通運輸和石化燃燒活動的設限和控制。由於臭氧形成需要二氧化氮和揮發性有機化合物兩者共同作用,當空氣中的二氧化氮被減少,與揮發性有機化合物形成臭氧的機率也降低,而在對流層中的臭氧濃度自然也降低了。另外,如果要嘗試減少空氣中的揮發性有機化合物,對於交通運輸和石化燃燒活動的設限和控制是其一辦法,但慎選樹木物種也是一項政策重點。

結語
在學術學院的科系分類中,政策和科學分別被歸類於社會科學和理工科學,在各自的科系和學院的教育中,也將兩者劃分的非常清楚。然而,這個處理空氣汙染的案例證明了科學和政策的確緊緊相扣,跨領域和跨科技的融合和學習在解決問題上也是必須的。

 

參考資料
洪淑綾,2010,夏、冬季葉生物量變化對生物源揮發性有機物排放量影響之研究,雲林科技大學,環境與安全工程系碩士論文
ET today 東森新聞生活中心,35度以上台北樹木易產生毒性高臭氧,http://www.ettoday.net/news/20120709/72156.htm

[1] 揮發性有機化合物是指那些氣壓在101.32Pa下,其沸點在50℃-250℃的化合物,並可根據化學結構之不同分成八類:烷類、芳烴類、烯類、鹵烴類、酯類、醛類、酮類和其他。

[2] ET today 東森新聞生活中心,35度以上台北樹木易產生毒性高臭氧,http://www.ettoday.net/news/20120709/72156.htm

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