大气近地层臭氧浓度与γ射线空气吸收剂量率相关性研究

韩凤禹

克拉玛依市环境科研监测中心站，中国·新疆 克拉玛依834000

臭氧；γ 射线；空气吸收剂量率；相关性

1 引言

1.1 臭氧

臭氧的化学式为O3，是氧气O2的同素异形体，常温下是一种有鱼腥味的淡蓝色气体。臭氧在光照条件下可吸收紫外线中的短波成分迅速分解为氧气，高温和潮湿环境也会促进臭氧的分解。分子结构为V 型，不稳定，有强氧化性，氧化反应后变为稳定状态的氧气。紫外线中的短波成分包括波长范围在280 纳米～100 纳米的短波紫外线、150 纳米～10 纳米的超紫外线和121 纳米～10 纳米的极紫外线等。

臭氧的强氧化性是其对人类健康、动植物生长和建筑材料等造成危害的原因。国际环境空气质量标准提出，人在一个小时内可接受臭氧的极限浓度是260μg/m3，在320μg/m3臭氧环境中活动1h 就会引起咳嗽、呼吸困难及肺功能下降；臭氧还能参与生物体中的不饱和脂肪酸、氨基及其他蛋白质反应，使长时间直接接触高浓度臭氧的人出现疲乏、咳嗽、胸闷胸痛、皮肤起皱、恶心头痛、脉搏加速、记忆力衰退、视力下降等症状；臭氧也会使植物叶子变黄甚至枯萎，对植物造成损害，甚至造成农林植物的减产、经济效益下降等；臭氧能够较快地与室内的建筑材料（如乳胶涂料等表面涂层）、居家用品（如软木器具、地毯等）、丝、棉花、醋酸纤维素、尼龙和聚酯的制成品中含不饱和碳碳键的有机化合物（包括橡胶、苯乙烯、不饱和脂肪酸及其酯类）发生反应，从而造成染料褪色、照片图像层脱色、轮胎老化等[1]。

地球大气中的臭氧有约90%分布在平流层，距地面10km～50km 之间，约10%分布在对流层，从地面延伸至对流层底部。对流层中的臭氧来源可分为自然源和人为源，自然源为平流层中的臭氧向下传输到对流层和特殊自然天气条件下生成的臭氧；人为源主要指人类活动产生的臭氧，包括排放的挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）等污染物在光化学反应中生成和臭氧技术利用活动逸散。

臭氧是大气光化学烟雾的重要指示物。挥发性有机物（VOCs）和氮氧化物（NOx）被排放到大气中后，在强烈的阳光紫外线照射下发生一系列光化学反应，生成有害浅蓝色烟雾。大气光化学烟雾对人体健康、动植物生长、建筑材料等有严重危害，也会降低大气能见度，危害生活条件。

1.2 γ 射线

γ 射线为电离辐射，波长小于0.1 纳米，贯穿能力强。辐射环境自动监测站空气吸收剂量率可直接、快速、连续反映环境辐射水平，是重要环境辐射监测项目，其监测结果包括环境地表γ 射线空气吸收剂量率及仪表对宇宙射线所致空气吸收剂量率的响应，单位为戈瑞/小时（Gy/h）。其中环境地表γ 辐射空气吸收剂量率为地表上方一定高度周围物质中的天然和人工核素发出的γ 射线所致空气吸收剂量率。

根据中国的《2017 全国辐射环境质量报告》，环境地表γ 辐射空气吸收剂量率存在不可忽视的涨落，与地下水位、土壤中水分、降水的影响、冰雪的覆盖、放射性物质的地面沉降、射气的析出和扩散等环境因素有关。降雨引起的空气中氡子体沉降，土壤中水分以及雪覆盖等因素的影响更为明显，特别是空气中氡子体受雨水的冲刷和清洗，可使环境地表γ 辐射空气吸收剂量率短时间内增加50%～100%，升高的程度取决于降雨时间间隔和降雨量。升高可持续几小时，然后降至比平均低约5%的水平，降低的原因是土壤中水分增加而产生屏蔽作用。如果不再降雨，随着土壤中水分的减少，经几小时或几天恢复至正常水平。此外，雪覆盖可使环境地表γ 辐射空气吸收剂量率降低，大约1cm 厚的雪可降低约1%。

1.3 研究现状

近地层臭氧浓度增加的原因是当今环境科学领域的研究热点之一[2]，现有的研究方向主要集中在臭氧浓度与辐射照度、能见度、日照时间、气温、降水、相对湿度、云量等气象因素[2-15]和其前体污染物[7，15]的相关性，而对臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率的相关性的研究较少。理论上，γ 射线可通过电离效应将空气中的氮气和氧气电离，形成氮氧化物和臭氧，进而使臭氧浓度增加；也可通过光电效应和康普顿效应将能量传输给空气中的臭氧，对臭氧的化学稳定性造成影响，促进臭氧的分解和转化，进而降低臭氧浓度。论文旨在通过在同一地点监测大气近地层臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率，统计日平均值和月平均值，分析两组样本数据的相关性并讨论结果指示的意义。

2 资料和方法

2.1 数据资料

臭氧浓度监测数据来自国家环境空气质量自动监测网克拉玛依市长征小区站2017年监测数据。长征小区站在监测网中的级别为城市站，位于克拉玛依市环境科研监测中心站办公楼，监测高度12m，采用紫外吸收法全年连续监测臭氧小时浓度。全年共有8667 个小时均值，论文统计365 个日均值和12 个月均值进行研究。

γ 射线空气吸收剂量率监测数据来自于国家辐射环境自动监测网克拉玛依市准噶尔路站2017年监测数据。准噶尔路站在监测网中的级别为基本站，位于克拉玛依市环境科研监测中心站办公楼，监测高度11m，采用高压电离室探测器，每30s 记录一个监测数据。全年共有1051134 个数据，论文统计全年365 个日均值和和12 个月均值进行研究。

2.2 统计分析方法

样本数据为日均值和月均值，均采用算术平均值。

臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率的相关性分析方法[16-20]如下。

Pearson 函数计算环境空气中臭氧浓度统计数据（Yi）和γ 射线空气吸收剂量率统计数据（Xi）的线性相关系数，采用t 检验法计算双样本等方差假设双尾P 值进行线性相关系数检验；采用曲线拟合法得到一元线性回归方程。

算数平均值计算公式：

Pearson 函数计算公式：

线性相关系数的t 检验：

假定变量总体的线性相关系数为ρ，-1 ≤ρ ≤1，n 组样本的线性相关系数为r。原假设H0：ρ=0。备择假设H1：ρ ≠0。检验统计量，在原假设H0为真时，t 服从T（n-2）分布。

3 结果

3.1 γ 射线空气吸收剂量率

2017年全年γ 射线空气吸收剂量率日均值波动较大，总体呈现出谷状变化，最小值6月21日70.4 nGy/h，最大值12月5日83.2 nGy/h。5月到9月较低，其余月份较高。

图1 2017年γ 射线空气吸收剂量率日均值

γ 射线空气吸收剂量率月均值的变化呈现出明显的谷状形态。最小值7月72.6 nGy/h，最大值12月79.0 nGy/h，均值75.4 nGy/h。

图2 2017年γ 射线空气吸收剂量率月均值

3.2 臭氧浓度

2017年全年臭氧浓度日均值呈现出明显的年中高于两端的峰状，最大值7月28日157 μg/m3，最小值12月3日12 μg/m3。

图3 2017年臭氧浓度日均值

臭氧浓度月均值呈现出尖峰形状，不符合正态分布曲线，最大值7月128 μg/m3，最小值12月24 μg/m3，均值69 μg/m3。

图4 2017年臭氧浓度月均值

3.3 线性相关系数与t 检验结果

Pearson 函数计算全年的环境空气中臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率日均值数据的线性相关系数，得到r=-0.737，t检验结果对应的P 值小于0.01。

计算月均值Pearson 函数得到r=-0.942，t 检验结果对应的P 值为0.4657。

3.4 线性拟合结果

日均值线性拟合结果R2=0.5437。

图5 日均值线性拟合

月均值线性拟合结果R2=0.8867。

图6 月均值线性拟合

4 讨论

综合日均值数据和月均值数据的线性相关系数和线性拟合结果，可得出环境空气中臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率两个变量线性负相关程度较高的结论。

两个变量可能存在因果关系，也可能受到共同的外部因素，如降水、湿度、光照等天气状况，太阳活动状况和人为活动等的影响。

可以通过改进分析方法进一步研究环境空气中臭氧浓度和γ 射线空气吸收剂量率两个变量的线性相关程度。