化學教室活動：自製光譜儀偵測臭氧吸收光譜 陳秀荷1、劉奇愛1、楊水平2,* 1國立彰化師範大學科學教育研究所2國立彰化師範大學化學系*yangsp@cc.ncue.edu.tw n  前言 光，是以波的形式傳遞。不論是從自然界中的太陽來的，還是人工製造的燈泡來的，一道光裡含有不同的波長。有些波長的光能使我們看見顏色，稱為可見光，不同顏色的光具有不同的波長，紅光的波長比藍光的還要長，而我們肉眼所見的日光，就是由許多不同的波長、不同顏色的光彼此混合所產生的。但這些混合在一起的各種波長，是否隱藏一些細微的秘密在其中呢？ 在19世紀初期，夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer, 1787 – 1826）因著精湛的透鏡研磨工藝，開啟人們對太陽觀測的序幕，他整合當時的觀測，從太陽儀中記錄當時的光譜，細心地記錄光譜中的暗線，共畫出了五百七十多條的暗線。但在當時卻無法對這些暗線提出合理的解釋，直到1859年克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff, 1824 – 1887）與本生（Robert Bunsen, 1811 – 1899）合作，使得這些暗線的秘密從彩色的光譜中被揭發出來。[1] 克希荷夫原先是物理學家，僅在研究之餘，與本生一起研究化學元素的光譜。當時是以純物質的在加熱下所發出的光進行紀錄並且觀察，這些純物質加熱的光譜，並非連續的，即使通過稜鏡也只會得到亮線，而非連續的光帶。而在一次對火災的研究中，引發他們對由光源推測元素的想法。克希荷夫與本生找出夫朗和斐的觀測紀錄，與他們已知的化學元素光比對，有了驚人的發現！他們發現「暗線的位置」竟然可以對應上「已知元素光譜」的亮線位置，包括氫、鈉、鎳、鈣及鐵。因此，克希荷夫就藉此推論，太陽上存在的元素，就是吸收太陽光的這些波段的能量，生成了這些肉眼可見的暗線。後世就把這光譜上五百七十條的暗線，稱為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）[2]，如圖一所示，圖一並未完整展現所有的夫朗和斐線。 圖一：太陽光譜與夫朗和斐線一樣，可以肉眼觀測到。 （圖片來源：Fraunhofer lines, https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines.） 太陽光譜中的黑線是由於太陽表面上或更上面的氣體所引起的，它們吸收一些發出的光。 每種氣體（如氦氣，氫氣，氧氣等）都有一組非常特定的波長，可以吸收太陽光。若照射一些光線通過一些冷氣體（cold gas）和棱鏡，並記錄吸收光譜（absorption spectrum），則可以肯定地說出這氣體是什麼（見圖二），這在化學上被稱為吸收光譜學（absorption spectroscopy）。美國宇航局（NASA）的好奇號（Curiosity）探測器使用光譜儀來確定火星上存在什麼氣體和化合物。[3] 圖二：照射光線通過冷氣體和棱鏡可觀察到吸收光譜 （圖片來源：Spektrum Slunce, https://goo.gl/aGqu4d.） n  大氣層中的臭氧 地球表面的大氣層以垂直高度分為四層，由地表向外，分別是對流層（地表以上約12公里）、平流層（約從對流層頂向上至55公里）、中氣層（55-85公里）以及增溫層（100公里以上）。我們生活在對流層的底部，雲、雨、霧等常見的天氣現象發生在此層。空氣不穩定，常隨人類活動而有所變化，如霧霾、沙塵暴……。而我們所熟悉的臭氧，是在平流層「保護」我們免於紫外光的傷害。然而，臭氧實際上並不永遠像保護的天使，關鍵取決臭氧所在的「高度」。當臭氧靠近我們時，保護的功能反倒對我們成了「傷害」。當臭氧出現在靠近我們的對流層的底部，會刺激人體的呼吸道，並引起皮膚過敏。 「對流層臭氧」和「平流層臭氧」來源並不相同。對流層中的臭氧如同惡魔般傷害人類的身體，在陽光的照射下，來自汽車或工業排放的氮氧化物（NOx）汙染物發生光化學反應而產生臭氧（O3），還有其他有機化合物，如揮發性有機物（volatile organic compounds, VOC）和非甲烷總烴（non-Methane Hydrocarbon, NMHC），也可以參與這反應鏈，在有羰基物質或酮類時進一步形成臭氧（見圖三）。[4] 隨著太陽光照的強度越強，對流層中的氮氧化物汙染物的光化學反應越充分，在地表量到的臭氧濃度就會越高，由清晨靠近中午時漸漸攀升，在中午時達到一天的高峰。[5] 不僅如此，在對流層頂部臭氧是溫室氣體中的一種，將地表要放出至太空的熱量吸收下來，加劇全球暖化。以上的證據都顯出對流層的臭氧對人類健康與環境的不友善。[6] 圖三：對流層臭氧的形成途徑 （圖片來源：Tropospheric ozone, http://goo.gl/GnbaPJ.） 然而，在平流層中的臭氧卻扮演天使的角色，吸收太陽光中大部分的UV光（紫外光），保護人類和其他生物免受高能量UV光的影響，如皮膚癌、白內障及農作物的傷害等問題。平流層的臭氧是來自O2接受UV光產生自由基連鎖反應而生。形成臭氧後，又可以再次吸收UV光分解成O2。這樣的連鎖反應不斷吸收紫外光，減少紫外光到達地球表面的量，使地球上的人類免受紫外光的危害，像天使一樣在天空上保護著人類。而這層有效的保護層，也就是臭氧層。 n  空氣品質指標與臭氧吸收光譜 一、空氣品質指標 […]