淺談臭氧層空洞

文章編號(hào)：1005－6629(2007)03－0042－03 中圖分類號(hào)：P421.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

1紫外線和臭氧層

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

長(zhǎng)波紫外線（UVA 紫外線A 波長(zhǎng)380—320nm）

中波紫外線（UVB 紫外線B 波長(zhǎng)320—280nm）

短波紫外線（UVC 紫外線C 波長(zhǎng)280—200nm）

這三種紫外線比較起來(lái)，短波紫外線對(duì)生物的殺傷力最大，中波和長(zhǎng)波紫外線只有很微弱的殺傷力。 陽(yáng)光在射向地球的過(guò)程中，對(duì)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(zhǎng)波紫外線和小部分中波紫外線到達(dá)地面。如果太陽(yáng)光不受任何阻擋直接照射在地球上，那么地球上的生物會(huì)毀滅殆盡。

地球周?chē)拇髿猓雌涓叨炔煌韵露戏譃閷?duì)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(yáng)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(dāng)臭氧的濃度在大氣中達(dá)最大值時(shí)，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(lán)色、有刺激性氣味的微量氣體，總量只占大氣的百萬(wàn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)物生靈的生存提供了前提條件。因此臭氧層被譽(yù)為生物在地球上得以生存繁衍的“保護(hù)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(lái)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(gè)多布森單位是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下千分之一厘米的臭氧層厚度)當(dāng)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?chē)啾群孟袷切纬闪艘粋€(gè)“洞”，直徑達(dá)上千公里，“臭氧空洞”因此而得名。

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)南極臭氧空洞是兩位日本科學(xué)家，1982年9月，他倆在南極昭和站觀察活動(dòng)中偶然發(fā)現(xiàn)并報(bào)道這一現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)很少有人注意到這一件事。

之后不久，英國(guó)南極站的科學(xué)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(guó)南極探測(cè)局公布哈雷灣站1980年初以來(lái)在南極春季觀察到臭氧層空洞這一消息。這個(gè)空洞面積非常大，基本上與美國(guó)領(lǐng)土面積相當(dāng)，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(gè)“臭氧空洞”，持續(xù)到11月又逐漸恢復(fù)。這一報(bào)道引起全世界的震驚，人們擔(dān)心這是臭氧層破壞或解體的先兆。

1986年，美國(guó)公布了通過(guò)“雨云二號(hào)”衛(wèi)星得到的數(shù)據(jù)，證實(shí)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(gè)時(shí)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(xué)界及整個(gè)國(guó)際社會(huì)的震驚。為了查實(shí)和弄清楚臭氧空洞形成的原因 ，美國(guó)宇航局(NASA)牽頭組織了數(shù)十位科學(xué)家于1986年和1987年的9～11月，兩次赴南極進(jìn)行臭氧探險(xiǎn)活動(dòng)，尋求揭示臭氧空洞形成的原因。科學(xué)家們對(duì)南極臭氧洞的出現(xiàn)有三種不同的解釋：一種認(rèn)為，南極臭氧洞的發(fā)生是因?yàn)閷?duì)流層的低臭氧濃度的空氣傳輸?shù)竭_(dá)平流層，稀釋了平流層臭氧的濃度；第二種解釋認(rèn)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(guó)科學(xué)家莫利納（Molina ）和羅蘭德（Rowland）早在1974年就通過(guò)英國(guó)雜志《自然界》提出氯原子臭氧層損耗機(jī)制 ，認(rèn)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(guò)化學(xué)變化過(guò)程破壞臭氧。越來(lái)越多的科學(xué)證據(jù)否定了前兩種觀點(diǎn)，而證實(shí)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(guó)際通稱CFCs）和溴氟烷 (我國(guó)俗稱“哈龍”或“鹵代烷滅火劑”， 國(guó)際通稱Halon)。氟利昂是美國(guó)杜邦公司上世紀(jì)30年代開(kāi)發(fā)的一個(gè)引為驕傲的產(chǎn)品，有著良好的物理性能和化學(xué)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間滯留于大氣中達(dá)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(jìn)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(gè)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?chē)睦淇諝猓纬伞皹O地—風(fēng)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(duì)流隔絕，使南極變得極冷，開(kāi)始出現(xiàn)滯留空中的冷云團(tuán)“冰云”。冰云中的冰晶微粒把氣流中帶來(lái)的CFCs吸收在其表面，并不斷積聚其中。當(dāng)南極的春季來(lái)臨(9月下旬)，陽(yáng)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(jī)化合物，其化學(xué)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(yīng)[3]：

CF₂Cl₂ → CF₂Cl·＋ Cl· ①

Cl·＋O₃ → ClO·＋O₂②

ClO·＋[O] → Cl·＋O₂③

②③ 兩個(gè)反應(yīng)式循環(huán)、使臭氧分解。總反應(yīng)式為：

[O₃] ＋[O] →2O₂

反應(yīng)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(gè)氯原子能參與破壞10萬(wàn)個(gè)臭氧分子的反應(yīng)！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(jī)化合物，溴原子自由基也是以同樣的過(guò)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(guò)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(dá)2977萬(wàn)平方公里，這是迄今為止觀測(cè)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(gè)巨大的藍(lán)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(jì)錄。2006年10月南極臭氧層空洞正以近10多年來(lái)最快的速度擴(kuò)展，目前空洞面積已經(jīng)超過(guò)2900萬(wàn)平方公里，目前還不知道今年南極臭氧空洞是否會(huì)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(fù)的說(shuō)法還需要5到10年的觀察才能有一個(gè)關(guān)于臭氧層變化的可靠結(jié)論。

另外，美、日、英、俄等國(guó)家科學(xué)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(guó)大氣物理及氣象學(xué)家觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)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(gè)臭氧空洞。

5臭氧層破壞帶來(lái)的危害

5.1對(duì)人類的影響

過(guò)量的太陽(yáng)紫外線輻射對(duì)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(bào)道我國(guó)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(duì)農(nóng)作物的影響

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

5.3 對(duì)水生生物的影響

水生生物大多貼近水面生長(zhǎng)，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(gè)生態(tài)系統(tǒng)。對(duì)于底層的浮游動(dòng)物，紫外線輻射具有很強(qiáng)的穿透能力，能穿透水下20米，過(guò)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(dǎo)致水生生物大批死亡。

5.4 對(duì)城市環(huán)境的影響

平流層中臭氧濃度降低紫外輻射增強(qiáng)，會(huì)使近地面對(duì)流層中的臭氧濃度增加，地表的臭氧對(duì)人體和植物有很大的危害，尤其是在人口和機(jī)動(dòng)車(chē)量最密集的城市中心，使光化學(xué)煙霧污染的機(jī)率增加。光化學(xué)煙霧是城市污染新問(wèn)題，它最早發(fā)生于美國(guó)的洛杉磯。主要是汽車(chē)排放的氮氧化物NO_X(主要是NO和NO₂)，在強(qiáng)烈的太陽(yáng)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(jiàn)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(hù)臭氧層采取的措施

1985年，由聯(lián)合國(guó)環(huán)境署發(fā)起21個(gè)國(guó)家的政府代表簽署了《保護(hù)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(gè)國(guó)家和10個(gè)國(guó)際組織的140名代表和觀察員在加拿大蒙特利爾集會(huì)，通過(guò)了大氣臭氧層保護(hù)的重要?dú)v史性文件《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》。由于進(jìn)一步的科學(xué)研究顯示大氣臭氧層損耗的狀況更加嚴(yán)峻，1990年通過(guò)《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》倫敦修正案，1992年通過(guò)了哥本哈根修正案，其中受控物質(zhì)的種類再次擴(kuò)充，完全淘汰的日程也一次次提前，締約國(guó)家和地區(qū)也在增加。到目前為止，締約方已達(dá)165個(gè)之多，反映了世界各國(guó)政府對(duì)保護(hù)臭氧層工作的重視和責(zé)任。聯(lián)合國(guó)環(huán)境署還規(guī)定從1995年起，每年的9月16日為\"國(guó)際保護(hù)臭氧層日\(chéng)"，以增加世界人民保護(hù)臭氧層的意識(shí)，提高參與保護(hù)臭氧層行動(dòng)的積極性。

我國(guó)政府和科學(xué)家們非常關(guān)心保護(hù)大氣臭氧層這一全球性的重大環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)早于1989年就加入了《保護(hù)臭氧層維也納公約》，先后積極派團(tuán)參與了歷次的《保護(hù)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(shū)》締約國(guó)會(huì)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(shū)》。我國(guó)還成立了保護(hù)臭氧層領(lǐng)導(dǎo)小組，開(kāi)始編制并完成了《中國(guó)消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國(guó)家方案》。根據(jù)這一方案，我國(guó)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(bǔ)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(yù)計(jì)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(shí)，我們上空的“臭氧洞”可望開(kāi)始恢復(fù)。臭氧層保護(hù)是近代史上一個(gè)全球合作十分典型的范例，這種合作機(jī)制將成為人類的財(cái)富，并為解決其它重大問(wèn)題提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

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