臭氧空洞釋放“太陽殺手”

本刊記者 段雯娟

臭氧是大氣中保護地球生態環境作用極大的高空物質。臭氧層是地球的天然屏障，如同一把撐在大氣層高空的無形“保護傘”，是保護地球生物和人類安全的“天兵天將”。

自1984年科學工作者在南極上空發現臭氧層空洞以來，已確認全球各地臭氧層的濃度均有減少，特別在地球的“三極”。臭氧層變薄和出現空洞，對人類和生物是災難性的可怕現象。人們普遍認為破壞臭氧層的罪魁禍首就是人類建設新生活中新創造出來的氟利昂等一系列人造物質。它們穩定性好，壽命長，有足夠的時間漫游到臭氧層，雖然數量稀少，看不見摸不著，但到達平流層后卻分解放出氯原子，吞噬臭氧，破壞臭氧層。

太陽是地球生物生存和活力的源泉，萬物生長靠太陽。沒有太陽就沒有今天的生機盎然的地球，也就沒有生物和人類。但太陽不是“智慧體”，它不會對地球特別恩賜，只給地球生物和人類有益的東西（光、熱）。太陽是一個巨大的敞開的“核反應堆”，每時每刻都在向周圍放射各種波長的強烈輻射，有時還會發怒——驟然爆發，其輻射中的短波紫外線對人和生物都是致命的。

在地球長期演化和生物進化中恰巧形成了一種和諧的平衡關系，臭氧被安排在了高空平流層專門吸收對生物有害的紫外線，保護地球上生命的安全。如果臭氧層的臭氧減少，照射到地表的紫外線就會增多，這將是滅頂之災。

臭氧層吸收紫外線、保護地球，沒有任何別的客體取得如此的成功，也沒有什么可以替代。可以說沒有動態平衡的臭氧層，就沒有健康的地球，就沒有人和生物存在的環境。保護臭氧層也就是保護人類自己。

人類對臭氧的認識雖然有100多年的歷史，積累了一定的資料，但在臭氧對生態環境、氣候和人類生存與發展影響上的深刻研究，還是近30多年的事，科學工作者也提出了各自的理論解釋，但觀點不一，分歧較大。

臭氧層空洞的發現及變化

早在1950年，人們就已經在南極設立了觀測站，對大氣中的臭氧進行系統觀測。1985年，英國的南極探險家法爾曼提出了南極“臭氧層空洞”的說法。他對在南極哈雷灣的觀測資料的分析認為，自1975年開始，每年的早春（10月）期間臭氧的濃度減少大于30%，自1975年的290DU減少到1985年的170DU。1994至1995年的春季，北極地區平流層氣溫比其他年份低，結果該年平流層臭氧比正常年份減少了約30%。

也有人認為“臭氧層空洞”一詞是日本學者忠缽1982年首先提出的。日本南極昭和站長年進行著臭氧濃度的觀測。忠缽在1982年的南極考察中偶然發現了臭氧濃度減少的現象。當時他還以為是儀器出了問題，沒有做深入的研究。1984年他在希臘舉行的一次國際性會議上平平淡淡地報告了自己觀測的結果，到會者也一聽了之，不以為然。

1982年英國南極考察隊的科學家們也曾在觀測中發現，南極上空臭氧層出現了一個空洞，其中有20%的臭氧消失了，并且春季尤為明顯。后來他們還發現空洞還有擴大的趨勢。

1984年英國又組織科學考察隊赴南極考察，科學家法爾曼等人在對南極哈雷灣觀測站的觀測資料分析時發現；在過去10至15年間，每到春天南極上空的臭氧濃度就會減少約30%，極地上空的中心地帶有近95%的臭氧被破壞。從地面上觀測，高空的臭氧層已極其稀薄，與周圍相比像是形成一個“洞”，“臭氧層空洞”由此而得名。這是人類歷史上第一次發現臭氧層空洞，并被公認。當時，觀察此洞覆蓋面積只相當于美國國土面積那么大。法爾曼還從資料研究中得出：從20世紀70年代中期以來，南極大陸上空每年春季即10月（南極夜晚剛剛結束的月份）南極上空臭氧總量逐年減少多達40%，臭氧層空洞越來越大、越來越深。本來在20km高空臭氧應該較多，現在卻變得很少了。此后，英國學者再次組織力量進行考察，結果發現南極上空臭氧層空洞的確存在。

1986年美國公布衛星資料說，每年9月底南極上空臭氧開始減少，一直延續到11月初才停止；1985年南極上空臭氧層中臭氧濃度比1980年低了30%，比1975年低了50%。2000年南極上空的臭氧層空洞面積曾經一度達到2960×104km2，相當于3個美國大陸的面積，這是迄今為止所觀測到臭氧層空洞的最大面積。2002年9月初科學家們估算該空洞又縮小到了150×104km2。

為了解南極臭氧層變化情況，美國航空航天局曾在1987年組織了一次大規模的南極大氣臭氧試驗：用2架飛機在空洞中飛行了20多次，對不同高度上臭氧層的濃度和破壞臭氧的物質進行取樣測量，結果發現，春季時大約以南極極點為中心的上空有一個面積與美國一樣大，深度和珠穆朗瑪峰一樣高的臭氧層空洞。

1994年10月，觀測到臭氧層空洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。1995年觀測到的臭氧層空洞的發生天數是77天，到1996年幾乎南極平流層的臭氧層全部被破壞，臭氧層空洞發生天數增加到80天。

1997年至今，科學家們進一步觀測到臭氧層空洞發生的時間也在提前，1998年臭氧層空洞的持續時間超過100天，是南極臭氧層空洞發現以來的最長記錄，而且臭氧層空洞的面積比1997年增大約15%，幾乎相當三個澳大利亞的面積。

2003年8月以來，南極上空臭氧層空洞迅速形成和擴大，目前已危及到美洲大陸最南端的火地島和阿根廷圣克魯斯省南部地區。這一跡象表明，南極上空臭氧層空洞的損耗狀態正在惡化之中。

南極臭氧層空洞大約在每年11月中旬開始分裂，一些大的分裂片像泡泡一樣向北漂移，威脅著南半球人類居住區，目前，不僅在南極，包括新西蘭、澳大利亞、南美、南美部分地區上空平流層臭氧濃度都下降了30%左右，都出現了臭氧層空洞。

多國聯合考察隊觀測發現，北極上空臭氧層也減少了20%已形成了面積約為南極臭氧層空洞三分之一的北極臭氧層空洞。在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原，中國大氣物理及氣象學者的觀測也發現，青藏高原上空的臭氧正在以每10年2．7%的速度減少，已經成為大氣層中的第三個臭氧層空洞。

地球“三極”的臭氧層空洞成因

對于大氣臭氧層破壞的原因和CO2產生溫室效應對環境和氣候影響的看法一樣，科學家界有多重不同見解，但是大多數人還是認為，人類過多使用CFCS（氯氟烴）等人造化學物質是破壞臭氧層的元兇，具體殺手是CI。

臭氧層空洞的形成是一種與物理化學、大氣化學、大氣環流、氣候環境和太陽紫外輻射、地球磁場等多種因素有關的、復雜的大氣現象和過程。目前對解釋臭氧層空洞出現的成因和機理歸納起來大致有三種觀點。

第一，認為動力氣象學上的極地緯向環流變化造成輸送至南極上空的臭氧減少。第二，認為極地冰晶效應影響下的多相化學反應引起臭氧的減少。第三，認為與太陽輻射變化相關的動力氣象因素及光化學反應（包括人類活動影響）綜合作用導致臭氧層空洞的形成。

臭氧層空洞的出現是臭氧層中臭氧不斷耗損的結果。臭氧損耗的原因到底是什么，不同學者持不同觀點，大多數學者認為南極上空臭氧層空洞的形成主要作用是工業文明生產出來的人造物質氟氯烴化合物（如氟利昂）和含溴鹵代烷烴等化學氣體造成的。它們的化學性質不活潑，壽命長的特點，使它們有足夠的時間從地表附近持續不斷地向高空擴散到平流層。

這類氣體首先進入大氣層的對流層中，在熱帶地區上空被大氣環流混拌，然后再氣流和風的作用下，又從低緯度地區的平流層向高緯度地區輸送，大概經過13～15年左右時間就到達整個平流層內，并均勻混合。在高空的平流層內，受到強烈太陽紫外線的光解作用下，他們的分子發生離解，釋放出高活性的原子態的CI和Br，氯和溴原子又會使臭氧分子分解成氧分子和氧原子，使臭氧分子遭破壞。

南極上空出現臭氧層空洞，自然而然地使人們想去探討它的對稱極——北極上臭氧層的變化情況。北極也有與南極相似的物理化學條件，的確北極也有南極同樣的空氣動力學和化學過程。

但是北極與南極自然環境是不同的，環境的差異使北極上空臭氧被破壞程度也有差別。南、北的兩極在環境上的不同概括起來，一是海拔有高低。二是陸地、海洋面積不同。三是一個地方的氣溫主要是由當地所獲取太陽能量多少來決定的。

研究發現，北極地區在每年的一月至二月生成北極渦旋，并發現有北極平流層云的存在。在渦旋內氯基（CIO·）占氯總量的85%以上，同時測到與南極渦旋內濃度相當的是溴基（Bro·）的濃度。但由于北極不存在類似南極的冰川，加上氣象條件的差異，北極渦旋的溫度遠遠較南極高，而且北極平流層云量也比南極少得多，因此目前北極的臭氧層破壞程度遠小于南極。

北極地區的冬季，一方面無陽光照射，臭氧的產量極少，另一方面，其環極渦旋導致電離層中的離子進入平流層，同樣對臭氧層有破壞作用。但是，由于北極上空的離子為凈正電荷離子，負電荷離子大大少于南極地區，使平流層總的氧化環境沒有遭到徹底破壞，同時北極地區的環極渦旋強度和持續的時間都不及南極，所以北極上空臭氧的損失不如南極厲害，形成的臭氧空洞面積較小，持續的時間也較短。

青藏高原上空臭氧的減少明顯不同于南北兩極，它出現在日照量最大、紫外線最強的夏季。這是因為日照量的增大和紫外線的增強，使青藏高原上的光合作用和光電效應顯著增強，青藏高原是離平流層最近的地球“尖端”，這里的光合作用和光電效應產生的大量電子很容易抵達平流層，從而破壞那里的氧化環境，使臭氧量減少。全球臭氧分布的最低值在熱帶，最高值在極地附近以及我國。臭氧分布“南低北高”，且“冬季梯度大，夏季梯度小”的總特征與青藏高原臭氧異常低值中心具有類似的起源。青藏高原臭氧每10年減少2．7%，全球減少1%～5%。

臭氧濃度變化的危害及治理

目前全球臭氧層損耗正以每年2%～3%的速度在進行。如果任其發展，在二十一世紀末，平流層臭氧含量將至目前的一半以上，屆時，人類將會面臨一場空前的浩劫！雖然 現在人類對其嚴重危害已有認識并且也有行動對策，不會出現這種結果，但是臭氧濃度減少或形成空洞的危害卻依然可觀存在。

平流層臭氧濃度變化（減小或形成空洞）的危害，第一，對人體健康的影響。紫外線會損傷角膜和眼晶體，如引起白內障、眼球晶體變形等。第二，對生物的影響。臭氧損耗或出現臭氧空洞，UV-B的增加，會對自然生態系統和作物造成直接或間接的影響，農業生產減產，作物質量下降。

第三，對建筑、物品和材料的影響。因平流層臭氧損耗，陽光中UV-B輻射的增加會加速建筑繪畫、噴涂、包裝、橡膠、塑料及電纜等材料的光降解，尤其是高分子聚合材料的降解和老化、變硬、變脆、變質孫端使用壽命，使油漆褪色等。

第四，影響大氣質量和地球化學循環。臭氧耗損和臭氧空洞的發生，導致全球紫外線UV-B輻射增加后，不僅殺死或抑制海洋表層浮游生物的生長，水生生態系統的初級生產力降低，而且影響海洋生物鏈。

第五，影響溫室效應，加劇氣候變化。平流層中臭氧濃度減少和全球變暖相互間在CO2和臭氧關系上有復雜的相互反饋的作用，加強了溫室效應。

人們針對臭氧層空洞的對策之一是要控制這些耗損臭氧的物質作制冷劑，特別是氯氟烴，從被動方面是限制生產和使用氯氟烴，并制定限期時間表，監督執行，積極行動是研制出無氟的過度代用品。

首先提高氟氯烴的利用率，降低操作損耗。冷媒、噴霧推進劑、發泡劑為現代人們生活的必須品，人們生活不可能沒有制冷設備，要一下子淘汰氟氯烴，是比較困難的，現在的措施是一方面逐步淘汰，減少生產和使用；一方面改進現有設備，優化生產流程提高利用率。

作好氯氟烴的回收和循環使用，在生產過程中，由于揮發而損失的，可以通過碳過濾器將它回收50%，CFC-12生產中就可以減少50%的排放。

改進氟氯烴產品，研制和生產非氟氯烴產品的替代品。經科學工作者的努力，目前已找到了使用丁烷、液化石油氣和異丙醇等取代氯氟烴作為噴霧推進劑的方法，也發展處HCF-123和HCFC-134a等對臭氧層破壞輕微的化合物，取代CFC-11和CFC-12作為冷媒和發泡劑等用途，減少對臭氧的危害。