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臭氧洞

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臭氧洞臭氧洞
地球上空的臭氧层因臭氧大幅度减少而形成的空洞。人类向大气中排放的氟利昂等化合物进入臭氧层与臭氧发生化学反应,是使臭氧减少的重要因素。

总臭氧大量减少的地区通称为臭氧洞(ozonehole)。

此一名词误导了大众的认知。一般以为大气中有一个破洞,因此连女娲补天的故事也经常被引述。事实上,只是臭氧浓度减少,无所谓「洞」的存在。所谓臭氧洞的面积由1985年的约1300万平方公里(相当於南极洲的大小)扩大到1994年的2300万平方公里(略小於北美洲的面积,)。

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如何形成编辑本段回目录

臭氧洞臭氧洞

经过多年的研究,大气化学家发现与氟氯碳化物释出的氯(Cl)及氧化氯(ClO)破坏臭氧有关。氟氯碳化物是人造的化学物质,通常作为冷却剂及喷雾器中的推进气体(propellantgas)。氟氯碳化物在对流层中相当稳定,但是一进入低平流层(如,20-25km),就可吸收波长小於260nm的短波辐射,释出Cl及ClO,如:

CFCl3+hυ→CO2+HF+3Cl或3ClO(5.11)
如前节所述,Cl及ClO可充当催化剂,引发破坏臭氧的催化反应。除氟氯碳化物外,火山爆发、海草及生质燃烧(biomassburning)也会产生氯,但是其含量大约只有由CFC释出的氯浓度的1/5。上述的化学反应由MarioMolina与SherwoodRowland於1974年提出。由於该研究对了解臭氧洞的形成有极大的贡献,他们二人与PaulCrutzen获得1995年诺贝尔化学奖。

光靠上述的化学反应,我们仍旧无法解释为何臭氧洞发生在南极洲上空,而不在其他地区(譬如,北极)。除非在特殊环境,前述的催化反应,并不会一直运作下去,因为HO,ClO等自由基会与NO2反应:
HO+NO2→HNO3(5.12)
ClO+NO2→ClONO2(5.13)

臭氧洞臭氧洞


一旦形成HNO3或ClONO2,活性极高的HO与ClO就暂存在HNO3与ClONO2之中,无法引发催化反应。HNO3与ClONO2因此被称为储存分子(reservoirmolecules)。但是在冰面上,ClONO2与HCl反应则会释出氯气及产生固态之HNO3:
ClONO2+HCl→Cl2(gas)+HNO3(ice)(5.14)

氯气进一步吸收波长小於450nm的短波辐射,产生氯原子:
Cl2+hυ→2Cl(5.15)
反应式(5.14)在气态下也可发生,但极其缓慢,在冰面上ClONO2与HCl的作用则十分快速。因此,只有在环境温度极低的情况下,由氟氯碳化物释出的Cl及ClO才能进行高效率的催化反应,破坏臭氧。南极的平流层温度多在-80℃以下,即使水汽含量很低,也能达到饱和形成极区平流层冰云(polarstratosphericcloud,PSC),使得反应(5.14)能快速进行。这样的低温条件在世界其他地区不易形成。另一个因素则与大气环流有关。南北向的垂直环流(如图5-5)将氟氯碳化物等,从北半球传送进南极涡旋(图5-9)。此一传送在冬季效率最高,而且因为缺乏太阳辐射,破坏臭氧的化学反应不会发生。加上,南极上空的涡旋远比北极的涡旋强,其内部的空气比较不容易与外界空气混合(图5-9)。这些因素使得南极上空的温度较低,以及破坏臭氧的微量气体(如,ClO)逐渐累积。但是,一到春天,太阳辐射增强而平流层气温仍旧相当低,破坏臭氧的化学反应就可快速进行,产生臭氧洞。

南极臭氧洞的形成是由许多因素的巧妙配合才得以形成。北极的气象因素不像南极那般独特,因此虽然也有形成臭氧洞的迹象,但尚不如南极那般严重。有趣的是,大部份的氟氯碳化物在北半球中纬度地区释出,但是影响最大的地区却是南极。大气环流的长程传送是主要因素之一。

危害编辑本段回目录

大气臭氧的厚度变得越来越稀薄,大气层出现臭氧洞,直接射向地面的紫外线就会越来越强,对人类以及地球而言,会造成哪些危害?科学家指出,大体上有以下4个方面。

一、影响人类健康。长期接受过量的紫外辐射,会引起细胞中脱氧核糖核酸(DNA)改变,细胞自身修复机能减弱,免疫机能减退,皮肤发生癌变。强紫外线还会诱发人体眼球晶体混浊,也就是产生白内障以至失明。据统计,臭氧每减少1%,皮肤癌发病率将增加2%~4%,白内障患者将增加0。3%~0。6%。

1986年美国环保局根据臭氧总量每耗减1%,地面紫外线B增加1。5%~2%的定量关系,做了一个预测。如果氯氟烃生产和消费不加限制,到2075年,地球臭氧总量将比1985年再耗减25%。全世界人口中将有皮肤癌患者1800万人。紫外线造成的人体免疫机能的抑制,还会使许多疾病的发病率和病情的严重程度大大增加。

二、破坏地球生态平衡。臭氧层的减薄也会使动物产生白内障。在南美洲的南端已经发现许多全盲或接近全盲的动物,例如,兔子、羊、牧羊犬等;在河里能捕到盲鱼,野生鸟类会自己飞到居民院内或房屋内,成为主人饭桌上的美味佳肴。当地居民出门都要戴墨镜,衣服遮不着的地方要涂防晒油,否则半小时皮肤就要被晒红。澳大利亚南部的人们中午前后出门大都撑阳伞。但野生动物没有自我保护能力又常在野外,视力不仅易于丧失,而且丧失的结果意味着丧失生存能力。

强烈的紫外线还会使农作物和植物受到损害。科学家通过对300种的农作物和其他植物的温室实验证实其中65%的农作物对紫外线敏感,尤以豆类、甜瓜、芥菜、白菜、土豆、西红柿、甜菜和大豆最为敏感;紫外线增加,它们的产量和质量都下降。实验结果还表明,树木也会受到紫外线的伤害。总的来说,大量紫外线辐射能毁坏植物,特别是农作物,使地球的农作物减产,最终可能导致粮食危机。

此外紫外线能穿透10~20米深的海水,过量紫外线会使浮游生物、鱼苗、虾、蟹幼体和贝类大量死亡,最终会造成某些生物灭绝。由于这些生物是海洋食物链中重要组成部分,所以最终可以引起海洋生物生态系统发生破坏,更大量的海洋生物死亡,进而影响全球生态平衡。

三、光化学烟雾污染。高层大气中臭氧层减薄使到达地面的紫外线增强。增强的紫外线使城市中汽车尾气的氮氧化物分解,在较高气温下产生以臭氧为主要成份的光化学烟雾。而臭氧在近地面大气中是一种有害气体,会使人的呼吸道和眼睛等器官受到刺激和不同程度的伤害。

1943年,美国洛杉矶光化学烟雾事件曾使几千人住院,其中400多人不治死亡。美国环保局估计,如高空臭氧层耗减25%,城市光化学烟雾频率将增加30%。近地面臭氧还抑制植物光合作用,使叶色褪色,出现斑病甚至坏死、落叶、落花、落果等。1943年美国洛杉矶光化学烟雾后一夜间城郊蔬菜叶子就由绿变黑,不能食用。

此外,过量紫外线还能加速建筑物、绘画、雕塑、橡胶制品、塑料的老化过程,降低质量,使其变硬、变脆、缩短使用寿命。尤其是在阳光强烈、高温、干燥气候下更为严重。

四、全球气候变暖,产生“温室效应”,海平面上升。

形成原因编辑本段回目录

1985年,英国学者JosephFarman等人发现,自1970年以来,9-10月南极上空的臭氧浓度逐年迅速地下降。由於臭氧的减少会增加对流层紫外线的入射量,这份研究报告震惊全世界。在此之前,美国太空总署的卫星已经连续几年监测臭氧浓度,却因为系统的瑕疵,将低臭氧浓度值当成错误的资料,作了人为的调整,因而没有发现到此一现象。一旦将该瑕疵修正,卫星资枓验证了南极臭氧急遽下降的现象,更发现涵盖面积极广而且逐年扩大。观测发现,臭氧浓度的减少主要发生在10-20公里之间,也就是原本浓度较高之处

南极上空的臭浓度原本就有明显的季节变化。冬季时,由於臭氧生命期较长,被大气环流从低纬度地区传送到高纬度地区,聚集在南极上空的环流涡旋之内,不易与涡旋外臭氧浓度较低的大气混合,因而维持高浓度。到了春季,短波辐射的入射量迅速增加,臭氧为光解反应所破坏,浓度因此下降。但从1970年中期至今,南极的春季(9-10月)臭氧浓度逐年下降的现象已不止是季节变化的问题。几十年来,英国的AntarcticaBritishSurvey一直在南极HalleyBay测量臭氧浓度(也就是Farman的资料来源),他们的资料显示HalleyBay上空的每年10月总臭氧在1960年代约为310DU,在1970年代迅速下降,到了1994年只剩下130DU(图5-7)。光是1979年至1990年的12年间,总臭氧就减少了50%。

南极臭氧洞的发现和观测,是臭氧层损耗现象最直观的证明,也是研究臭氧层损耗成因最重要的自然背景。南极臭氧洞成因有多种假设,其中主要有:
a、与太阳活动周期有关的自然现象
b、火山活动的影响
c、当地天气动力学过程的影响
d、人为活动的影响——如氯化物的排放进入大气平流层层

各种假设均有一定的说服力和自身的特点,目前还不能完全肯定某一种而否定另一种。但不管怎样,归根到底是物理和化学的作用。化学作用是影响臭氧浓度最根本的动力,物理过程影响着化学过程的效率,因为物理过程创造和影响化学作用过程的外部环境。物理过程(动力学过程)可能是南极臭氧季节性变化的主导因素,其他的自然因素可能为臭氧的化学消耗提供或创造适宜的环境或者一定程度上直接影响臭氧的浓度。但是,在漫长的历史过程中,臭氧的动态平衡已经形成,并为地球上的万灵生存提供免遭紫外伤害的保护伞。显然,没有人为活动的影响,臭氧损耗不可能象今天这样显著。况且,人类文明发展至今,人类在自然界面前不再仅仅是自然的产物,而且能够并且有意识或无意识地作为一种新的地质力量参与自然界的作用。在这种意义上,人为活动对臭氧损耗以至于整个环境的影响尤其重要,它有可能导致人类对文明发展的重新估量和定向。

根据科学家科考结果,科学家们推断:携带北半球散发的氯氟烃的大气环流,随赤道附近的热空气上升,分流向两极,然后冷却下沉,从低空回流到赤道附近的回归线。

在南极黑暗酷冷的冬季(6-9月份),下沉的空气在南极洲的山地受阻,停止环流而就地旋转,吸入冷空气形成“极地风暴漩涡”。旋涡上升至臭氧层成为滞留的冰晶云,冰晶云吸收并积聚氯氟烃类物质。

当南极的春季来临(九月下旬),阳光照射冰云,冰晶融化,释放吸附的氯氟烃类物质。在紫外线的照射下,分解产生氯原子,与臭氧反应,形成季节性的“臭氧空洞”。

因为北极没有极地大陆和高山,仅有一片海洋冰帽,形不成大范围的强烈的“极地风暴”,所以不易产生象南极那样大的臭氧洞。但是,北极上空的臭氧在不断地减少。

原因编辑本段回目录

臭氧洞 南极臭氧洞一分为二
南极臭氧洞已经不可思议地缩减到原来的1/3大小,并且在近日一分为二。迄今为止仅有的解释是,空前的大规模气候变化将同温层变暖,于是抑制了能对臭氧层产生破坏的大气中化学物质的反应,同时还能引入一部分新的臭氧。新增加的臭氧可以帮助阻挡有害的紫外线辐射,这对于企鹅和居住在南半球南部的人来讲无疑都是喜讯。但是目前看起来,这种强烈的臭氧洞缩小并没有延续的趋势。

臭氧洞的形成是由一些污染物引起的,例如过去常用于电冰箱和空调的含氯化合物等。在过去的6年当中,臭氧洞的面积一直稳定在大约2400万平方公里左右。然而,在过去的两周里,臭氧洞的面积下降到1500万平方公里,是从1988年以来的最小数值。9月29日,根据美国国家航空航天局的大气物理学家PaulNewman提供的数据,臭氧洞面积下降到仅仅200万平方公里。在今年9月,臭氧洞开始拉长,并且向南极方向移动。上周,它开始分裂,形成了两部分,一部分在南极海岸朝向非洲的地方,另一部分靠近南美。

人造卫星上的臭氧监测仪,是由美国国家航空航天局美国国家海洋和大气层管理署管理使用的,它从1979年就被开始用来观察臭氧洞。但是过去臭氧监测仪一直都没有观察到类似今年发生的这种变化。

气象学家将臭氧洞的奇怪表现归因为全球范围内的大气环流。气流仅限于较低大气层,其能穿过同温层,进而改变臭氧的分布模式,在南半球,现在的环流尤其明显。研究人员认为,这能使同温层变暖,就会降低化学物质对臭氧层的破坏,通过抑制能促进化学物质反应的冰云粒子的形成,气流能通过携带富含臭氧的空气来修复部分空洞。

目前大家都在试图找出这其中的原因。但是,新增加的臭氧只能临时性的缓解问题。只有靠大气层中的那些可以破坏臭氧层的污染物的缓慢自净,以及持续减少排放这些化学物质才是解决问题的关键。

北极出现臭氧洞编辑本段回目录

 

北极臭氧洞北极臭氧洞

 风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区,在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右,部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。虽然没有形成南极上空那样规模的臭氧洞,但由于北半球人口密度远高于南半球,臭氧低值区覆盖的范围内紫外线对人类健康的影响比南极臭氧洞更重要。导致北极臭氧洞形成的主要原因是今年春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云,在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。

风云三号卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪捕捉到该次北极臭氧低值区生成过程,图1—图2展示了近期获得的北极臭氧总量分布图像,可以看出从3月14日至今北极地区的臭氧总量一直保持250DU左右,而同期美国AURA卫星也监测到了同样的结果。卫星近年来同期监测到的北半球臭氧总量分布,可以看出:一般情况下在三月份北极地区的臭氧含量很高,大部分地区范围在400DU以上,其中接近或大于500DU的区域占很大比例。而今年3月份北极圈内的大部分地区臭氧总量降到了200— 300DU,部分地区达到了臭氧洞的标准。

此结论与国外科学家的最新地面观测结果基本一致。德国物理学家马库斯·雷克斯表示,北极 30个臭氧监测站获得的初始数据显示,今年冬季臭氧浓度下降的情况比以往更严重。他说,在春天来临之前,“第一个北极臭氧洞也许已经形成,这种发展速度非常惊人,可能将被载入史册。目前下定论还为时尚早,不过请静候我们的进一步消息”。据专家说,臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空,他们发出警告说,皮肤癌风险或将提升。 [1]



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