淺談臭氧層空洞

文章編號：1005－6629(2007)03－0042－03 中圖分類號：P421.33 文獻標識碼：E

1紫外線和臭氧層

地球上一切生命所須的能量都來自太陽。太陽在普照大地的同時要輻射各種各樣的紫外線，其中有：

長波紫外線（UVA 紫外線A 波長380—320nm）

中波紫外線（UVB 紫外線B 波長320—280nm）

短波紫外線（UVC 紫外線C 波長280—200nm）

這三種紫外線比較起來，短波紫外線對生物的殺傷力最大，中波和長波紫外線只有很微弱的殺傷力。 陽光在射向地球的過程中，對生物有危害的短波紫外線和大部分中波紫外線被臭氧層擋在外面，只剩下危害微小的長波紫外線和小部分中波紫外線到達地面。如果太陽光不受任何阻擋直接照射在地球上，那么地球上的生物會毀滅殆盡。

地球周圍的大氣，按其高度不同，自下而上分為對流層、平流層、中間層、熱成層、逸散層。在平流層的下層中，離地面20—35km處，氧吸收太陽紫外線輻射而生成可觀量的臭氧：

0₂＋hν→2[ 0 ]（[0]表示不穩(wěn)定的原子氧）

[0]+0₂→0₂

當臭氧的濃度在大氣中達最大值時，就形成厚度約為20km的臭氧層。臭氧是地球大氣層中的一種藍色、有刺激性氣味的微量氣體，總量只占大氣的百萬分之0.4，如果在攝氏零度的溫度下，沿著垂直于地表的方向?qū)⒋髿庵械某粞跞繅嚎s到一個標準大氣壓，那么臭氧層的總厚度只有3毫米左右。正是這層薄薄的臭氧層存在，才為地球上萬物生靈的生存提供了前提條件。因此臭氧層被譽為生物在地球上得以生存繁衍的“保護傘”。

2南極臭氧空洞的發(fā)現(xiàn)

用從地面到高空垂直柱中臭氧的總層厚來反映大氣中臭氧含量的方法叫做柱濃度法。正常大氣中臭氧的柱濃度約為300 多布森單位(1個多布森單位是標準狀態(tài)下千分之一厘米的臭氧層厚度)當臭氧的柱濃度小于200多布森單位，臭氧濃度減少的區(qū)域，臭氧極其稀薄，與周圍相比好像是形成了一個“洞”，直徑達上千公里，“臭氧空洞”因此而得名。

第一個發(fā)現(xiàn)南極臭氧空洞是兩位日本科學家，1982年9月，他倆在南極昭和站觀察活動中偶然發(fā)現(xiàn)并報道這一現(xiàn)象，但當時很少有人注意到這一件事。

之后不久，英國南極站的科學家約瑟·法曼等在哈雷灣站也觀察到每年9月(南極的早春[1])南極上空臭氧急劇減少。1985年英國南極探測局公布哈雷灣站1980年初以來在南極春季觀察到臭氧層空洞這一消息。這個空洞面積非常大，基本上與美國領(lǐng)土面積相當，于每年9月上旬出現(xiàn)，然后迅速地減少一半左右，并形成一個“臭氧空洞”，持續(xù)到11月又逐漸恢復。這一報道引起全世界的震驚，人們擔心這是臭氧層破壞或解體的先兆。

1986年，美國公布了通過“雨云二號”衛(wèi)星得到的數(shù)據(jù)，證實了自1979年到1984年10月在南極上空的確出現(xiàn)了總臭氧含量持續(xù)減少的情況，這樣顯著的變化已經(jīng)超出了由氣候變化引起的變化范圍。直到這個時候，南極上空的臭氧空洞才受到全球的關(guān)注。

3南極臭氧空洞產(chǎn)生的原因

臭氧空洞一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立即引起科學界及整個國際社會的震驚。為了查實和弄清楚臭氧空洞形成的原因 ，美國宇航局(NASA)牽頭組織了數(shù)十位科學家于1986年和1987年的9～11月，兩次赴南極進行臭氧探險活動，尋求揭示臭氧空洞形成的原因?？茖W家們對南極臭氧洞的出現(xiàn)有三種不同的解釋：一種認為，南極臭氧洞的發(fā)生是因為對流層的低臭氧濃度的空氣傳輸?shù)竭_平流層，稀釋了平流層臭氧的濃度；第二種解釋認為，南極臭氧洞是由于宇宙射線的作用在高空生成氮氧化物的結(jié)果；此外，美國科學家莫利納（Molina ）和羅蘭德（Rowland）早在1974年就通過英國雜志《自然界》提出氯原子臭氧層損耗機制 ，認為人工合成的一些含氯和含溴的鹵代烷烴類化合物在平流層通過化學變化過程破壞臭氧。越來越多的科學證據(jù)否定了前兩種觀點，而證實破壞臭氧層的元兇有兩類物質(zhì)：氟利昂（全稱：二氟二氯甲烷CF₂Cl₂ ，國際通稱CFCs）和溴氟烷 (我國俗稱“哈龍”或“鹵代烷滅火劑”， 國際通稱Halon)。氟利昂是美國杜邦公司上世紀30年代開發(fā)的一個引為驕傲的產(chǎn)品，有著良好的物理性能和化學性能，被廣泛用于制冷劑、溶劑、塑料發(fā)泡劑、氣溶膠噴霧劑及電子清洗劑等現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域。它在使用中被排放到大氣后，其穩(wěn)定性決定它將長時間滯留于大氣中達數(shù)十年至100年。哈龍也在消防行業(yè)發(fā)揮著重要作用。

在人類聚集的北半球，由于大量生產(chǎn)和使用CFCs類化合物，并使之進入大氣層，大氣環(huán)流攜帶著北半球散發(fā)的CFCs類化合物，隨赤道附近的熱空氣上升，分流向兩極，然后冷卻下沉，從低空回流至赤道附近的回歸線，形成一個環(huán)流。

在南極黑暗酷冷的冬季(6～9月)，下沉的空氣在南極洲的山地受阻，停止環(huán)流，就地旋轉(zhuǎn) ，吸入周圍的冷空氣，形成“極地—風暴旋渦”[2]。 這股“旋渦”上升到20km高空的臭氧層后，把南極與低緯度地帶空氣對流隔絕，使南極變得極冷，開始出現(xiàn)滯留空中的冷云團“冰云”。冰云中的冰晶微粒把氣流中帶來的CFCs吸收在其表面，并不斷積聚其中。當南極的春季來臨(9月下旬)，陽光照向冰云，冰晶溶化，釋放出吸附的CFCs。

由于CFCs是一種含氯的有機化合物，其化學性質(zhì)穩(wěn)定，逸入大氣層，在低層大氣中不分解。上升到平流層后，在短波紫外線UVC的照射下生成氯自由基，氯自由基則可引發(fā)破壞O₃的循環(huán)反應[3]：

CF₂Cl₂ → CF₂Cl·＋ Cl· ①

Cl·＋O₃ → ClO·＋O₂②

ClO·＋[O] → Cl·＋O₂③

②③ 兩個反應式循環(huán)、使臭氧分解?？偡磻綖椋?/p>

[O₃] ＋[O] →2O₂

反應結(jié)果是臭氧分子變成了氧氣分子，氯原子在其中起了催化劑的作用，每個氯原子能參與破壞10萬個臭氧分子的反應！因此形成了南極季節(jié)性的臭氧空洞。

哈龍是一種含溴的有機化合物，溴原子自由基也是以同樣的過程破壞臭氧。

4大氣臭氧層現(xiàn)狀

下列表格是根據(jù)有關(guān)資料整理出，在過去10多年間，南極上空臭氧層空洞覆蓋的面積

從表中我們可以看到，在2000年9月，南極臭氧層空洞覆蓋的面積達2977萬平方公里，這是迄今為止觀測到臭氧空洞的最大面積。從NASA發(fā)布的圖片看到，臭氧空洞像一個巨大的藍水滴，完全罩在南極的上空，并延伸到南美的南端。

2002年和2004年，南極臭氧層空洞覆蓋的面積較2000年明顯縮小。但2003年和2005年的南極臭氧層空洞覆蓋的面積僅低于2000年的紀錄。2006年10月南極臭氧層空洞正以近10多年來最快的速度擴展，目前空洞面積已經(jīng)超過2900萬平方公里，目前還不知道今年南極臭氧空洞是否會打破2000年的記錄。這些跡象表明，目前一些專家有關(guān)臭氧層恢復的說法還需要5到10年的觀察才能有一個關(guān)于臭氧層變化的可靠結(jié)論。

另外，美、日、英、俄等國家科學家聯(lián)合觀察發(fā)現(xiàn)，在北極上空臭氧層已形成面積約為南極臭氧空洞三分之一的北極臭氧空洞。中國大氣物理及氣象學家觀測也發(fā)現(xiàn)，在我國青藏高原上空的臭氧正以每十年2.7%的速度減少，已經(jīng)成為大氣中第三個臭氧空洞。

5臭氧層破壞帶來的危害

5.1對人類的影響

過量的太陽紫外線輻射對人類健康最直接的危害是： 降低人體免疫系統(tǒng)功能，增加傳染疾病的發(fā)病率； 損害眼睛(角膜和晶體)， 增加白內(nèi)障患者的發(fā)病率。據(jù)報道我國青藏高原白內(nèi)障的發(fā)病率明顯升高； 靠近南極的澳大利亞皮膚癌患者大量增加。

5.2 對農(nóng)作物的影響

過量的紫外線照射會破壞植物綠葉中的葉綠素，影響植物的光合作用。同時還會改變細胞的遺傳基因和再生能力，使農(nóng)作物生長受到限制，質(zhì)量降低，產(chǎn)量大幅度降低。

5.3 對水生生物的影響

水生生物大多貼近水面生長，這些處于水生食物鏈最底部的小型浮游植物最易受到臭氧損耗的影響，從而危及整個生態(tài)系統(tǒng)。對于底層的浮游動物，紫外線輻射具有很強的穿透能力，能穿透水下20米，過量的紫外線殺死水中的微生物、削弱浮游植物的光合作用，破壞水生生物食物鏈，引起水生生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，降低水體的自然凈化能力，導致水生生物大批死亡。

5.4 對城市環(huán)境的影響

平流層中臭氧濃度降低紫外輻射增強，會使近地面對流層中的臭氧濃度增加，地表的臭氧對人體和植物有很大的危害，尤其是在人口和機動車量最密集的城市中心，使光化學煙霧污染的機率增加。光化學煙霧是城市污染新問題，它最早發(fā)生于美國的洛杉磯。主要是汽車排放的氮氧化物NO_X(主要是NO和NO₂)，在強烈的太陽紫外線的照射下形成的產(chǎn)物凝集成煙霧，影響空氣的可見度，刺激人的眼睛和呼吸器官。

NO₂→NO+O₂ ①

O₂+[O] →0₃ ②

O₃+RH(烴)→RCOO(羧酸基)+RCHO(醛)+R₂CO(酮) ③

6保護臭氧層采取的措施

1985年，由聯(lián)合國環(huán)境署發(fā)起21個國家的政府代表簽署了《保護臭氧層維也納公約》，首次在全球建立了共同控制臭氧層破壞的一系列原則方針。

1987年9月，36個國家和10個國際組織的140名代表和觀察員在加拿大蒙特利爾集會，通過了大氣臭氧層保護的重要歷史性文件《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》。由于進一步的科學研究顯示大氣臭氧層損耗的狀況更加嚴峻，1990年通過《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》倫敦修正案，1992年通過了哥本哈根修正案，其中受控物質(zhì)的種類再次擴充，完全淘汰的日程也一次次提前，締約國家和地區(qū)也在增加。到目前為止，締約方已達165個之多，反映了世界各國政府對保護臭氧層工作的重視和責任。聯(lián)合國環(huán)境署還規(guī)定從1995年起，每年的9月16日為\"國際保護臭氧層日\"，以增加世界人民保護臭氧層的意識，提高參與保護臭氧層行動的積極性。

我國政府和科學家們非常關(guān)心保護大氣臭氧層這一全球性的重大環(huán)境問題。我國早于1989年就加入了《保護臭氧層維也納公約》，先后積極派團參與了歷次的《保護臭氧層維也納公約》和《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》締約國會議，并于1991年加入了修正后的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》。我國還成立了保護臭氧層領(lǐng)導小組，開始編制并完成了《中國消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國家方案》。根據(jù)這一方案，我國已于1999年7月1日凍結(jié)了氟利昂的生產(chǎn)。并將于2010年前全部停止生產(chǎn)和使用所有消耗臭氧層物質(zhì)。

即使我們?nèi)绱伺Φ貜浹a地球上空的“臭氧洞”，但由于臭氧層損耗物質(zhì)從大氣中除去十分困難．預計采用哥本哈根修正案，也要在2050年左右平流層氯原子濃度才能下降到臨界水平以下，到那時，我們上空的“臭氧洞”可望開始恢復。臭氧層保護是近代史上一個全球合作十分典型的范例，這種合作機制將成為人類的財富，并為解決其它重大問題提供借鑒和經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 高俊昌，周盈科. 地理[M]. 人民教育出版社 .2005:17～23.

[2]馬岳民，曾昭瓊. 有機化學(上冊)[M]. 北京: 高等教育出版社.1988: 40～41.

[3]曹鳳中.臭氧層空洞報告[M] . 北京: 中國環(huán)境科學出版社. 1990:45～80.