光化學霧

光化學霧 (Photochemical Smog)
臺北縣立三民高級中學化學科林妙津老師/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

太陽下山了，天色昏暗夜空低垂，但是台灣都市的夜空為什麼不是黑的，這是因為空氣中有太多的污染物，這些污染物包含了許多微小顆粒懸浮物反射光線，讓夜空呈現詭異的顏色。因為這些空氣污染物為煙霧態，我們稱這些污染物為「光化學霧(Photochemical smog)」，英文名 smog 即是由smoke + fog兩單字合併而成。「光化學霧」學術上的正式的解釋為經光化學反應所產生之微粒狀物質而懸浮於空氣中能造成視程障礙者。

光化學霧的主要來源是：工業革命後，大量使用石化燃料，工廠與汽機車引擎排放大量排放NOx及揮發性有機污染物至大氣中，這些物質在光照及氣象條件下，於大氣中進行光化反應，生成二次污染物，包括臭氧(Ozone, O₃)、過氧硝酸酯(Peroxyakylnitrates, PAN)等。隨著污染源的不同，光化學煙霧的組成也因地有所不同，譬如產煤和以煤為能源的火力發電廠，光化學煙霧主要成份為二氧化硫。

臭氧是光化學煙霧形成過程中產生的主要氧化物(oxidant)，其次為PAN。
臭氧的形成機制如下:二氧化氮被紫外光分解成一氧化氮(NO)和高活性的氧原子，氧原子和空氣中的氧氣結合生成臭氧(O₃)並釋放出能量。

高活性氧原子還可以很快的和周圍的其他分子進行反應；PAN的形成就是其中一個後續反應：首先氧原子和水氣反應生成兩個「氫氧自由基(HO．) 」，注意不是氫氧根(HO^–)喔，然後這個新的自由基和空氣中的其他污染物如揮發未燃燒的汽油（Hydrocarbons, 碳氫化合物）、一氧化氮等進行一系列的非常快速的連鎖反應，最後生成過氧硝酸酯。

臭氧與PAN均會刺激眼睛及人類的呼吸系統，減少肺部功能。老人與嬰兒特別易受臭氧的刺激，臭氧對健康的成人與幼童影響亦相當明顯。症狀包括刺激眼睛、鼻子和鼻竇、呼吸急促、胸痛、咳嗽、喘息等。其他較常見症狀包括視力模糊、頭痛、噁心與疲勞。當空氣中臭氧濃度在0.15ppm時，會引起咳嗽、氣喘、支氣管炎及對人類呼吸系統黏液造成刺激。動物實驗顯示：暴露在臭氧濃度約50 ppm下數小時，會因肺積水而死亡；若暴露在較低的濃度下，亦會造成非致命性的肺積水及肺部毛細管的破壞。溫度的升高與活動會加強氧化物對人體的影響。

不飽和脂肪酸的雙鍵也易受到臭氧的破壞，雙鍵斷裂而產生新的氧化物。其反應類似於天然橡膠雙鍵斷裂的氧化反應。

臭氧與PAN均會刺激眼睛及人類的呼吸系統，減少肺部功能。老人與嬰兒特別易受臭氧的刺激，臭氧對健康的成人與幼童影響亦相當明顯。症狀包括刺激眼睛、鼻子和鼻竇、呼吸急促、胸痛、咳嗽、喘息等。其他較常見症狀包括視力模糊、頭痛、噁心與疲勞。當空氣中臭氧濃度在0.15ppm時，會引起咳嗽、氣喘、支氣管炎及對人類呼吸系統黏液造成刺激。動物實驗顯示：暴露在臭氧濃度約50 ppm下數小時，會因肺積水而死亡；若暴露在較低的濃度下，亦會造成非致命性的肺積水及肺部毛細管的破壞。溫度的升高與活動會加強氧化物對人體的影響。

不飽和脂肪酸的雙鍵也易受到臭氧的破壞，雙鍵斷裂而產生新的氧化物。其反應類似於天然橡膠雙鍵斷裂的氧化反應。

PAN的毒性較臭氧低和二氧化氮相近但比二氧化硫高，動物實驗顯示，PAN 的小鼠與大鼠的致死濃度(Lethal concentration)LC30 分別為 718～743 mg/m³ （2小時）與 470 mg/m³（4小時）。急性暴露下會造成嚴重肺部系統病變，在較高的濃度刺激眼睛酸痛流淚，會損害呼吸系統的上表皮細胞。此外，具有-SH官能基的酵素易受到光化學氧化物的影響，這些官能基會被 PAN 氧化而乙醯化（acetylated），例如含硫的氨基酸-半胱胺酸(cysteine)特別易受到PAN的氧化。在某些條件下，PAN會將2-胺基4-甲硫基丁酸(methionine)氧化成methionine sulfoxide。植物暴露於PAN濃度 0.02～0.05 ppm下數小時，亦可能造成菠菜、萵苣、菾菜…等葉下表面出現亮銅斑與銀白斑之危害。

參考資料
1. 〈光化學煙霧－過氧硝酸乙醯酯（PAN）監測結果〉，行政院環境保護署網站–環保新聞，2005年6月21日。
http://ivy5.epa.gov.tw/enews/New … tTime=0940621180352
2. WIKIPEDIA網站–Photochemical smog
http://en.wikipedia.org/wiki/Photochemical_smog
3. Dr. Ngee-Sing Chong網站– Photochemical smog
http://mtsu32.mtsu.edu:11233/Smog-Atm1.htm
4. Illinois Department of Public Health網站– Ozone
http://www.idph.state.il.us/envhealth/factsheets/ozone.htm
5. Vyskocil A, Viau C, Lamy S.，〈Peroxyacetyl nitrate: review of toxicity.〉，NCBI網站，1998年4月。
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9617633
6. Stanley E. Manahan，《Environmental Chemistry》fourth edition，CRC Press，1990。