摘 要

美国密歇根湖的空气质量一直以来就是科学家们讨论的一个热门话题，他们主要关注的是美国密歇根湖臭氧浓度居高不下的原因以及一些科研活动采集的数据的可靠性。我们的实验致力于通过定点覆盖、移动的交通工具以及人为操控的飞行器，收集密歇根湖沿岸地基以及空中的臭氧的浓度。围绕密歇根湖的各个州都有各自的臭氧检测系统，根据主要的几个科研活动的数据显示，跟系统预测的数据相比，沿着湖岸的臭氧浓度已经有了些许的不一样。我们收集到的所有数据会受到周围环境的影响，所以那时候相应的气候状况可能会对实验的分析与结论有些许的影响。

通过对比和分析我们收集到的在沿密歇根湖岸几个主要乡镇，城市的臭氧浓度的数据，我们总结出当地的像微风一样的气流循环会对工厂排放的污染气体有一定的驱散作用，相应地会降低臭氧浓度。但是，当风力增强时，有可能会产生反作用，可能会使空气停滞，导致臭氧浓度直线上升。风向在决定哪一边臭氧浓度高时扮演着重要的角色。除此之外，臭氧浓度有可能会随着海拔高度的升高而升高，同样地，会随着温度的升高而升高。最后，考虑到地球的形状，臭氧浓度可能会随着纬度的降低而升高，因为纬度低的地方，太阳辐射强，而太阳辐射是臭氧产生的一个主要原因。

关键词：空气质量 臭氧 密歇根湖 湖面微风

ABSTRACT

Air quality of Lake Michigan has always been a hot topic that scientists want to discuss on the reasons behind of it as well as the validation of the measurements which some campaigns have done. This study examines ground-based ozone abundance over the shoreline of Lake Michigan as measured on the automobile as well as air-based ozone level by the manned aerial system. Each state bordering Lake Michigan has dictated monitoring systems, offshore measurements have been sparse from forecast model, mainly executed by specific short-term campaigns. All of the ozone measurements were done by possible effects of surroundings and the conclusion we drew may depend on the specific meteorological conditions we had last summer.

By comparing and analyzing ozone data we had on several towns or cities by the shoreline, we tentatively conclude that the local breeze-like circulation may disperse the emissions that plants generated while a large-scale wind from Lake Michigan may have the adverse effect on the spread of high ozone air as it may cause air stagnation to increase the ozone level. Wind direction may play an important role in determining where the ozone level is higher than the other places. Besides, the ozone level is likely to be higher as altitude increases, so does temperature. Last but not the least, considering the geography of the earth, with more solar radiation, more ozone could be produced since there is more oxygen could be decomposed into an active oxygen atom which is a very important component of ozone generation process.

Key Words: Air Quality; Ozone; Lake Michigan；Lake breeze

目 录

摘 要 I

第一章 文献综述 4

1.1 臭氧概述 4

1.1.1臭氧的概念 4

1.1.2低层臭氧 4

1.1.3臭氧是一种温室气体 5

1.1.4 臭氧的生成与分解 5

1.2 美国密歇根湖的臭氧现状 6

1.3 美国密歇根湖臭氧的前期研究 7

1.4 本文研究的目的及意义 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验方法 8

2.1.1 地基测量方法 8

2.1.2 高空测量方法 9

2.2 实验设备 9

2.3 实验补充解释 9

2.3.1差分吸收光谱仪（DOAS）测量原理及优势 9

第三章 实验结果与讨论 11

3.1 沿岸微量气体的浓度与风向有关 11

3.2 沿岸与湖面的臭氧浓度变化与温度，风向，距离的关系 12

3.3湖沿岸移动性收集的数据分析 14

第四章 结论 15

参考文献 17

致谢 20

第一章 文献综述

1.1 臭氧概述

1.1.1臭氧的概念

臭氧（O₃），又称“三氧”，是一种无机分子化合物。常温下，它是一种有强烈的特殊气味的淡蓝色气体。臭氧主要分布在10-50 km的大气平流层，在20-30 km（臭氧层区域）浓度达到最大值。臭氧是氧气（O₂）的同素异形体，在常温常压下，臭氧的稳定性很差，在低大气层中，可自行分解成氧气或者双氧原子^[1]。

臭氧是由紫外线和大气放电作用形成的分子氧，在整个地球大气层（平流层）中浓度很低。它在大气臭氧层区域的浓度最高，它能吸收大部分太阳的紫外线（UV）辐射。臭氧层区域中的臭氧过滤掉波长介于200 nm和315 nm之间的紫外线辐射，它过滤辐射的峰值大约在250 nm处^[2]。这种臭氧的紫外吸收对于人类至关重要，因为它通过较短的UV-C(200-280 nm)和整个UV-B带（280-315 nm）延长了原来的氧气和氮气的吸收波长。通过臭氧层过滤之后，一小部分没有被吸收的太阳辐射（UV-B）会引起人体晒伤，并有可能导致动植物的DNA受到损伤^[3]。臭氧层对于中段UV-B辐射的作用可以通过其对于UV-B在290 nm处显示出来，其在大气顶部的放射强度是地面上的3.5亿倍。可以想象，如若没有了臭氧层的保护，人类可能早已灭亡了。尽管如此，相当多的UV-B辐射以相似的频率到达地面时还是会引起人体一定程度的晒伤，但是同样地，也会促进人体维生素D的产生^[4]。

臭氧层对于UV-A（波长更长的）辐射的作用不大，因为这些波长的辐射不大可能会引起晒伤或者直接的DNA损伤，但在长久看来，它有可能会潜在地提高某些特殊人群的患上皮肤疾病的风险。总体来说，臭氧层对于波长较长的辐射不会产生太大的吸收作用^[5]。

1.1.2低层臭氧

低层臭氧（处于对流层的臭氧）是一种大气的污染物，它往往不是来源于工业生产和交通工具的直接排放，而是主要由太阳光照和含有碳氢化合物、氮氢化合物（NO_X）的空气反应而形成，臭氧能直接与空气中的碳氢化合物，如醛基，进行反应从而产生另外一种化合物，而这种化合物就是烟雾的重要组成成分^[6]。臭氧在紫外线下进行光解生成的羟基自由基是生成硝酸过氧化氢物（烟雾成分之一）的至关重要的第一步，除此之外，它也是一种对眼睛有强烈刺激的化合物，会增加感染呼吸道疾病的风险^[7]。低层臭氧除了对于人体健康产生有害影响外，还会危害动植物的繁衍生息^[8]。有证据表明，由于地面臭氧浓度的升高，而导致的稻谷等植物的产量显著下降^[9]。正因为此，美国环境保护局提出了旨在减少臭氧对于动植物危害的法案。

1.1.3臭氧是一种温室气体

尽管在地球形成之初，地面臭氧就已经存在了。但是当今的臭氧浓度已经远远高于了工业革命之前的峰值，甚至是在远离污染源的很多地方都比之前高出了许多^[10]。臭氧可以被看做是一种温室气体，吸收地球反射出的红外线，给地球创造出一个温暖的环境。但是想要量化臭氧作为温室气体吸收能量的能力是相当困难的，因为它的浓度在不同的地区会产生天差地别的变化，从而至今为止，还没有有力的实验数据证明其吸收能量的能力。最被广泛接受的有关气候变化科学评估显示，对流层臭氧的对辐射的吸收能力只有二氧化碳的25%左右^[11]。