天空之戰

于鵬翔

每一天，我們從明媚的陽光中醒來，呼吸著新鮮的空氣。我們知道：美好的一天又要開始了。但你可能不知道的是，從每天第一縷陽光照射地球開始，在我們的頭頂上方，一場決定地球生命存亡的戰斗也隨即展開。而戰斗的雙方就是陽光中的高能紫外線和地球大氣層中保衛我們的臭氧。

氧氣的“好兄弟”

陽光給予了萬物生長的能量。但是我們能見到的“可見光”只是陽光的一部分，在我們見不到的那部分陽光中，有比可見光波長更長的紅外線，也有比可見光波長更短的紫外線。我們知道，波長越短，光波的能量越高。一般的紫外線對人類是有益的，比如它有利于人體的骨骼健康。但是那些能量極高的紫外線卻有著截然不同的特性：它們像肆意燃燒的火焰，會破壞所遇到的一切生命。具體說來，高能紫外線會破壞人體的免疫系統、生命細胞和遺傳物質等，甚至讓整個地球生態系統陷入危機。

這些高能紫外線時刻照射著地球，而阻止它們摧殘地球生命的就是我們今天的主角——臭氧。說起臭氧，大家可能有點兒陌生。但是它的“兄弟”你一定很熟悉，那就是大名鼎鼎的“氧氣”。

從1772年瑞典化學家舍勒發現氧氣到1777年“現代化學之父”拉瓦錫為它命名，人們逐漸認識到這種無色無味的氣體對于生命的重要作用。在此期間，德國工廠的工人在使用放電機時發現：放電機在放電時會產生一種奇怪的味道。當時的人們還不知道這種味道奇怪的氣體和氧氣有著千絲萬縷的聯系，但已有人對這種淡藍色氣體產生了興趣。

德國科學家哈特利將臭氧的顏色形容為“和晴朗天空一樣藍”。隨后，他還發現了臭氧與氧氣的關系：它們都是由氧原子組成。只不過構成氧氣分子的是兩個氧原子，而構成臭氧分子的則是三個氧原子。臭氧是氧氣的同素異形體，也就是由同種元素不同結構組成的意思。臭氧那多出來的一個氧原子就賦予了它特殊的使命。當然，哈特利還不知道這些，但是他發現了臭氧的特殊能力。

臭氧的“武力值”

在哈特利生活的那個時代，人們已經知道陽光是由不同波段的光線組成的。可見光能夠被人類用肉眼觀測到，紅外線和紫外線能夠被儀器捕獲。但是問題來了：在儀器中，可見光、紅外線、一部分紫外線都可以清晰地呈現，但是一部分高能紫外線卻不見蹤影。它們明明是陽光的一部分，卻根本無法在地面被觀測到。這是怎么回事呢？哈特利猜測是臭氧將這種高能紫外線攔截了！他用全波段的紫外線照射臭氧，果然，臭氧將那些具有破壞力的高能紫外線截斷了。

后來的大氣研究為我們揭示了更多關于臭氧的秘密：它們分布在20 000米以上的高空中，形成了包裹地球的臭氧層。在那里，氧氣分子受到太陽輻射分解成氧原子，單個氧原子與周圍的氧氣分子結合，就形成了有三個氧原子的臭氧分子。但是這種結合并不穩定，每當臭氧分子與那些高能紫外線相遇時，就會射出一個自由的氧原子，臭氧變回氧氣。在這個過程中，紫外線會被消耗掉，而那個自由的氧原子再與別的氧氣分子結合，形成新的臭氧分子，虎視眈眈地等待下一次與高能紫外線的相遇。就在我們頭頂上方的天空中，這樣的戰斗日復一日。我們就生活在臭氧為我們營造的安全環境中。

氧氣與臭氧的相互轉化過程

臭氧層破洞

一萬年中，這種勢均力敵的天空之戰持續上演。但是在工業文明飛速發展的20世紀初，人類的一項發明卻打破了戰爭中的平衡。臭氧遭受了來自人類的重大打擊，差點兒灰飛煙滅。當時，電冰箱、空調等可以制冷的工業產品在一些發達地區已經被廣泛使用。這些設備的制冷原理基本上是通過內部物質的狀態轉變來調節溫度的。這些物質被叫作“冷媒”。

一開始人們找到的冷媒都含有一些有毒物質。后來，發明家米基利通過實驗，發現了一種無毒無害又能高效帶走熱量的物質——氟（fú）利昂。隨后，人們又制造出很多與“氟利昂”類似的化學物質，它們被合稱為“氯氟烴（tīng）”。“氯氟烴”這種物質被發明出來后，因其穩定、無毒的特性而被廣泛應用在制冷、農業、家具制造等諸多領域。但人們不知道的是，這些本來用于方便人們生活的物質會在天空中變成可怕的臭氧殺手。

幾十年后，在一次對霧霾的追蹤研究中，人們發現了氯氟烴的痕跡。一開始，大家并沒有注意到這種人造物質。畢竟它無毒又穩定，看上去人畜無害。但很快，人們便發現了問題：正是因為氯氟烴的穩定性，它可以在空氣中留存很長時間，并且隨大氣運動，最終到達臭氧層的高度。在這個高度上，沒有了云霧的干擾，氯氟烴直接與高能紫外線接觸，氯元素就從氯氟烴中分離出來。這些游蕩在大氣中的氯元素一旦遇到臭氧分子就會掠奪它的氧原子，形成氯和氧的化合物。當這種化合物遇到下一個臭氧分子時，又會扯掉其中的一個氧原子，形成新的氧氣分子。此時，氯原子重獲自由，再去襲擊其他臭氧分子，重復這個過程。在臭氧層中，氯原子無法無天，一個氯原子可以破壞十萬個臭氧分子。而臭氧對這一切都無能為力。當時的科學家估計：若這一情況無法盡快改善，到了2050年，地球臭氧層的體積將減少30%，最終全部消失。

1977年，人們通過衛星觀察到南極上空的臭氧層在春夏季節有驟減的趨勢，而且這種情況逐年惡化。這就是赫赫有名的“臭氧層空洞”。1985年，人們甚至發現南極的臭氧層厚度減少了70%，最嚴重時，空洞面積已經超過整片南極大陸。原本人們以為臭氧層空洞只會發生在南極，因為寒冷的天氣會讓高空云層在南極上空聚集，氯氟烴類物質會在云層表面發生化學反應，侵蝕臭氧層。而北極由于溫度變化更大，通常不會出現這樣的臭氧層損耗。可不幸的是，近些年北極上空也出現了臭氧層空洞，而且2020年由于強勁的西風環繞北極，將冷空氣困在了極地渦旋中，寒冷的天氣促使高空云層形成，導致臭氧層空洞比往年更嚴重。那為什么南北極的臭氧層空洞多發生在春夏季節呢？這是因為氯元素就像定時炸彈，當春天來臨時，陽光中的紫外線就成了引爆炸彈的引信。

臭氧層空洞的真相一下子驚醒了所有人，各國迅速行動起來。1987年9月，聯合國邀請一些國家簽署了著名的《蒙特利爾協定書》，大家通過約定立即著手減少氯氟烴等破壞臭氧層的物質的生產與使用。隨著研究的深入，越來越多的物質被列為受控物質。

南極臭氧層空洞的變化

雖然，各國已經開始著手解決臭氧層空洞的問題，但之前排放到大氣中的氯氟烴還需要很長時間才能完全降解。人們檢測到的臭氧層空洞在逐漸減少，但是依然不穩定，甚至在2006年還達到過歷史上的最大值。不過，人類做出的努力并沒有白費，對臭氧層的檢測和研究受到各國的重視，替代氯氟烴等物質的安全產品也在不斷出現。預計到21世紀末，臭氧層會恢復如初。

在天是佛，在地是魔

講到這里，你一定覺得臭氧是保衛地球家園的大功臣。沒錯，處于高層大氣中的臭氧的確功不可沒。但如果它降到我們身邊的低層大氣中，危險也會隨之降臨。

隨著工業的發展，現在的近地面對流層中也出現了臭氧的身影。不過，這種臭氧可是“壞分子”，因為它們主要是各類工業污染物、機動車排放的污染物等在高溫、日照下發生光化學反應后產生的“二次污染物”。

不過也不是我們身邊的所有臭氧都是“壞分子”，比如雷雨過后，空氣中就會有微量臭氧，它們本身淡淡的腥味會使人感到雨后的空氣特別清新。只不過這樣的臭氧濃度不能太高，因為一旦臭氧濃度過高，就會產生嗆鼻的味道，而且當臭氧濃度超標2倍時，人會出現頭疼、呼吸器官局部麻痹等癥狀，若人長時間接觸高濃度臭氧，還會引起永久性心臟問題。

所以，有句話用來形容臭氧再恰當不過了，那就是“在天是佛，在地是魔”！

臭氧層跌宕起伏的經歷其實只是我們地球維持生命繁衍的一個縮影。地球為了保護我們的生命，不僅要與宇宙中的各種有害射線做斗爭，還要為人類活動帶來的污染埋單。幸好，隨著人們對環境越來越多的關注，地球不再孤軍奮戰。相信在大家的共同努力下，我們與地球都會有一個可持續發展的未來。