臭氧洞 -簡介

臭氧洞指地球上空的臭氧層因臭氧大幅度減少而形成的空洞。人類向大氣中排放的氟利昂等化合物進入臭氧層與臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，是使臭氧減少的重要因素?？偝粞醮罅繙p少的地區(qū)通稱為臭氧洞(ozonehole)。

此一名詞誤導(dǎo)了大眾的認(rèn)知。一般以為大氣中有一個破洞，因此連女媧補天的故事也經(jīng)常被引述。事實上，只是臭氧濃度減少，無所謂「洞」的存在。所謂臭氧洞的面積由1985年的約1300萬平方公里(相當(dāng)於南極洲的大小)擴大到1994年的2300萬平方公里(略小於北美洲的面積，)。

形成

經(jīng)過多年的研究，大氣化學(xué)家發(fā)現(xiàn)與氟氯碳化物釋出的氯(Cl)及氧化氯(ClO)破壞臭氧有關(guān)。氟氯碳化物是人造的化學(xué)物質(zhì)，通常作為冷卻劑及噴霧器中的推進氣體(propellantgas)。氟氯碳化物在對流層中相當(dāng)穩(wěn)定，但是一進入低平流層(如，20-25km)，就可吸收波長小於260nm的短波輻射，釋出Cl及ClO，如:

CFCl3+hυ→CO2+HF+3Cl或3ClO(5.11)

如前節(jié)所述，Cl及ClO可充當(dāng)催化劑，引發(fā)破壞臭氧的催化反應(yīng)。除氟氯碳化物外，火山爆發(fā)、海草及生質(zhì)燃燒(biomassburning)也會產(chǎn)生氯，但是其含量大約只有由CFC釋出的氯濃度的1/5。上述的化學(xué)反應(yīng)由MarioMolina與SherwoodRowland於1974年提出。由於該研究對了解臭氧洞的形成有極大的貢獻，他們二人與PaulCrutzen獲得1995年諾貝爾化學(xué)獎。

光靠上述的化學(xué)反應(yīng)，我們?nèi)耘f無法解釋為何臭氧洞發(fā)生在南極洲上空，而不在其他地區(qū)(譬如，北極)。除非在特殊環(huán)境，前述的催化反應(yīng)，并不會一直運作下去，因為HO，ClO等自由基會與NO2反應(yīng):

HO+NO2→HNO3(5.12)

ClO+NO2→ClONO2(5.13)

一旦形成HNO3或ClONO2，活性極高的HO與ClO就暫存在HNO3與ClONO2之中，無法引發(fā)催化反應(yīng)。HNO3與ClONO2因此被稱為儲存分子(reservoirmolecules)。但是在冰面上，ClONO2與HCl反應(yīng)則會釋出氯氣及產(chǎn)生固態(tài)之HNO3:

ClONO2+HCl→Cl2(gas)+HNO3(ice)(5.14)

氯氣進一步吸收波長小於450nm的短波輻射，產(chǎn)生氯原子:

Cl2+hυ→2Cl(5.15)

反應(yīng)式(5.14)在氣態(tài)下也可發(fā)生，但極其緩慢，在冰面上ClONO2與HCl的作用則十分快速。因此，只有在環(huán)境溫度極低的情況下，由氟氯碳化物釋出的Cl及ClO才能進行高效率的催化反應(yīng)，破壞臭氧。南極的平流層溫度多在-80℃以下，即使水汽含量很低，也能達到飽和形成極區(qū)平流層冰云(polarstratosphericcloud,PSC),使得反應(yīng)(5.14)能快速進行。這樣的低溫條件在世界其他地區(qū)不易形成。另一個因素則與大氣環(huán)流有關(guān)。南北向的垂直環(huán)流(如圖5-5)將氟氯碳化物等，從北半球傳送進南極渦旋(圖5-9)。此一傳送在冬季效率最高，而且因為缺乏太陽輻射，破壞臭氧的化學(xué)反應(yīng)不會發(fā)生。加上，南極上空的渦旋遠比北極的渦旋強，其內(nèi)部的空氣比較不容易與外界空氣混合(圖5-9)。這些因素使得南極上空的溫度較低，以及破壞臭氧的微量氣體(如，ClO)逐漸累積。但是，一到春天，太陽輻射增強而平流層氣溫仍舊相當(dāng)?shù)停茐某粞醯幕瘜W(xué)反應(yīng)就可快速進行，產(chǎn)生臭氧洞。

南極臭氧洞的形成是由許多因素的巧妙配合才得以形成。北極的氣象因素不像南極那般獨特，因此雖然也有形成臭氧洞的跡象，但尚不如南極那般嚴(yán)重。有趣的是，大部份的氟氯碳化物在北半球中緯度地區(qū)釋出，但是影響最大的地區(qū)卻是南極。大氣環(huán)流的長程傳送是主要因素之一。

危害

一、影響人類健康。長期接受過量的紫外輻射，會引起細(xì)胞中脫氧核糖核酸(DNA)改變，細(xì)胞自身修復(fù)機能減弱，免疫機能減退，皮膚發(fā)生癌變。強紫外線還會誘發(fā)人體眼球晶體混濁，也就是產(chǎn)生白內(nèi)障以至失明。據(jù)統(tǒng)計，臭氧每減少1%，皮膚癌發(fā)病率將增加2%～4%，白內(nèi)障患者將增加0。3%～0。6%。

1986年美國環(huán)保局根據(jù)臭氧總量每耗減1%，地面紫外線B增加1。5%～2%的定量關(guān)系，做了一個預(yù)測。如果氯氟烴生產(chǎn)和消費不加限制，到2075年，地球臭氧總量將比1985年再耗減25%。全世界人口中將有皮膚癌患者1800萬人。紫外線造成的人體免疫機能的抑制，還會使許多疾病的發(fā)病率和病情的嚴(yán)重程度大大增加。

二、破壞地球生態(tài)平衡。臭氧層的減薄也會使動物產(chǎn)生白內(nèi)障。在南美洲的南端已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多全盲或接近全盲的動物，例如，兔子、羊、牧羊犬等;在河里能捕到盲魚，野生鳥類會自己飛到居民院內(nèi)或房屋內(nèi)，成為主人飯桌上的美味佳肴。當(dāng)?shù)鼐用癯鲩T都要戴墨鏡，衣服遮不著的地方要涂防曬油，否則半小時皮膚就要被曬紅。澳大利亞南部的人們中午前后出門大都撐陽傘。但野生動物沒有自我保護能力又常在野外，視力不僅易于喪失，而且喪失的結(jié)果意味著喪失生存能力。

強烈的紫外線還會使農(nóng)作物和植物受到損害?？茖W(xué)家通過對300種的農(nóng)作物和其他植物的溫室實驗證實其中65%的農(nóng)作物對紫外線敏感，尤以豆類、甜瓜、芥菜、白菜、土豆、西紅柿、甜菜和大豆最為敏感;紫外線增加，它們的產(chǎn)量和質(zhì)量都下降。實驗結(jié)果還表明，樹木也會受到紫外線的傷害?？偟膩碚f，大量紫外線輻射能毀壞植物，特別是農(nóng)作物，使地球的農(nóng)作物減產(chǎn)，最終可能導(dǎo)致糧食危機。

此外紫外線能穿透10～20米深的海水，過量紫外線會使浮游生物、魚苗、蝦、蟹幼體和貝類大量死亡，最終會造成某些生物滅絕。由于這些生物是海洋食物鏈中重要組成部分，所以最終可以引起海洋生物生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生破壞，更大量的海洋生物死亡，進而影響全球生態(tài)平衡。

三、光化學(xué)煙霧污染。高層大氣中臭氧層減薄使到達地面的紫外線增強。增強的紫外線使城市中汽車尾氣的氮氧化物分解，在較高氣溫下產(chǎn)生以臭氧為主要成份的光化學(xué)煙霧。而臭氧在近地面大氣中是一種有害氣體，會使人的呼吸道和眼睛等器官受到刺激和不同程度的傷害。

1943年，美國洛杉磯光化學(xué)煙霧事件曾使幾千人住院，其中400多人不治死亡。美國環(huán)保局估計，如高空臭氧層耗減25%，城市光化學(xué)煙霧頻率將增加30%。近地面臭氧還抑制植物光合作用，使葉色褪色，出現(xiàn)斑病甚至壞死、落葉、落花、落果等。1943年美國洛杉磯光化學(xué)煙霧后一夜間城郊蔬菜葉子就由綠變黑，不能食用。

此外，過量紫外線還能加速建筑物、繪畫、雕塑、橡膠制品、塑料的老化過程，降低質(zhì)量，使其變硬、變脆、縮短使用壽命。尤其是在陽光強烈、高溫、干燥氣候下更為嚴(yán)重。

四、全球氣候變暖，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”，海平面上升。

形成原因

1985年，英國學(xué)者JosephFarman等人發(fā)現(xiàn)，自1970年以來，9-10月南極上空的臭氧濃度逐年迅速地下降。由於臭氧的減少會增加對流層紫外線的入射量，這份研究報告震驚全世界。在此之前，美國太空總署的衛(wèi)星已經(jīng)連續(xù)幾年監(jiān)測臭氧濃度，卻因為系統(tǒng)的瑕疵，將低臭氧濃度值當(dāng)成錯誤的資料，作了人為的調(diào)整，因而沒有發(fā)現(xiàn)到此一現(xiàn)象。一旦將該瑕疵修正，衛(wèi)星資枓驗證了南極臭氧急遽下降的現(xiàn)象，更發(fā)現(xiàn)涵蓋面積極廣而且逐年擴大。觀測發(fā)現(xiàn)，臭氧濃度的減少主要發(fā)生在10-20公里之間，也就是原本濃度較高之處

南極上空的臭濃度原本就有明顯的季節(jié)變化。冬季時，由於臭氧生命期較長，被大氣環(huán)流從低緯度地區(qū)傳送到高緯度地區(qū)，聚集在南極上空的環(huán)流渦旋之內(nèi)，不易與渦旋外臭氧濃度較低的大氣混合，因而維持高濃度。到了春季，短波輻射的入射量迅速增加，臭氧為光解反應(yīng)所破壞，濃度因此下降。但從1970年中期至今，南極的春季(9-10月)臭氧濃度逐年下降的現(xiàn)象已不止是季節(jié)變化的問題。幾十年來，英國的AntarcticaBritishSurvey一直在南極HalleyBay測量臭氧濃度(也就是Farman的資料來源)，他們的資料顯示HalleyBay上空的每年10月總臭氧在1960年代約為310DU，在1970年代迅速下降，到了1994年只剩下130DU(圖5-7)。光是1979年至1990年的12年間，總臭氧就減少了50%。

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和觀測，是臭氧層損耗現(xiàn)象最直觀的證明，也是研究臭氧層損耗成因最重要的自然背景。南極臭氧洞成因有多種假設(shè)，其中主要有：

a、與太陽活動周期有關(guān)的自然現(xiàn)象

b、火山活動的影響

c、當(dāng)?shù)靥鞖鈩恿W(xué)過程的影響

d、人為活動的影響——如氯化物的排放進入大氣平流層層

各種假設(shè)均有一定的說服力和自身的特點，目前還不能完全肯定某一種而否定另一種。但不管怎樣，歸根到底是物理和化學(xué)的作用?；瘜W(xué)作用是影響臭氧濃度最根本的動力，物理過程影響著化學(xué)過程的效率，因為物理過程創(chuàng)造和影響化學(xué)作用過程的外部環(huán)境。物理過程(動力學(xué)過程)可能是南極臭氧季節(jié)性變化的主導(dǎo)因素，其他的自然因素可能為臭氧的化學(xué)消耗提供或創(chuàng)造適宜的環(huán)境或者一定程度上直接影響臭氧的濃度。但是，在漫長的歷史過程中，臭氧的動態(tài)平衡已經(jīng)形成，并為地球上的萬靈生存提供免遭紫外傷害的保護傘。顯然，沒有人為活動的影響，臭氧損耗不可能象今天這樣顯著。況且，人類文明發(fā)展至今，人類在自然界面前不再僅僅是自然的產(chǎn)物，而且能夠并且有意識或無意識地作為一種新的地質(zhì)力量參與自然界的作用。在這種意義上，人為活動對臭氧損耗以至于整個環(huán)境的影響尤其重要，它有可能導(dǎo)致人類對文明發(fā)展的重新估量和定向。

根據(jù)科學(xué)家科考結(jié)果，科學(xué)家們推斷：攜帶北半球散發(fā)的氯氟烴的大氣環(huán)流，隨赤道附近的熱空氣上升，分流向兩極，然后冷卻下沉，從低空回流到赤道附近的回歸線。

在南極黑暗酷冷的冬季(6-9月份)，下沉的空氣在南極洲的山地受阻，停止環(huán)流而就地旋轉(zhuǎn)，吸入冷空氣形成“極地風(fēng)暴漩渦”。旋渦上升至臭氧層成為滯留的冰晶云，冰晶云吸收并積聚氯氟烴類物質(zhì)。

當(dāng)南極的春季來臨(九月下旬)，陽光照射冰云，冰晶融化，釋放吸附的氯氟烴類物質(zhì)。在紫外線的照射下，分解產(chǎn)生氯原子，與臭氧反應(yīng)，形成季節(jié)性的“臭氧空洞”。

因為北極沒有極地大陸和高山，僅有一片海洋冰帽，形不成大范圍的強烈的“極地風(fēng)暴”，所以不易產(chǎn)生象南極那樣大的臭氧洞。但是，北極上空的臭氧在不斷地減少。

北極出現(xiàn)臭氧洞

風(fēng)云三號衛(wèi)星臭氧總量探測儀在北極上空監(jiān)測到一個明顯的臭氧低值區(qū)，在該低值區(qū)內(nèi)臭氧總量是正常情況下平均值的一半左右，部分地區(qū)的臭氧總量達到了臭氧洞的標(biāo)準(zhǔn)(220DU)。雖然沒有形成南極上空那樣規(guī)模的臭氧洞，但由于北半球人口密度遠高于南半球，臭氧低值區(qū)覆蓋的范圍內(nèi)紫外線對人類健康的影響比南極臭氧洞更重要。導(dǎo)致北極臭氧洞形成的主要原因是今年春季極寒冷的極渦內(nèi)生成了極地平流層云，在太陽紫外線的作用下釋放出破壞臭氧的鹵素原子。

風(fēng)云三號衛(wèi)星搭載的紫外臭氧總量探測儀捕捉到該次北極臭氧低值區(qū)生成過程，圖1—圖2展示了近期獲得的北極臭氧總量分布圖像，可以看出從3月14日至今北極地區(qū)的臭氧總量一直保持250DU左右，而同期美國AURA衛(wèi)星也監(jiān)測到了同樣的結(jié)果。衛(wèi)星近年來同期監(jiān)測到的北半球臭氧總量分布，可以看出：一般情況下在三月份北極地區(qū)的臭氧含量很高，大部分地區(qū)范圍在400DU以上，其中接近或大于500DU的區(qū)域占很大比例。而今年3月份北極圈內(nèi)的大部分地區(qū)臭氧總量降到了200— 300DU，部分地區(qū)達到了臭氧洞的標(biāo)準(zhǔn)。

此結(jié)論與國外科學(xué)家的最新地面觀測結(jié)果基本一致。德國物理學(xué)家馬庫斯·雷克斯表示，北極 30個臭氧監(jiān)測站獲得的初始數(shù)據(jù)顯示，今年冬季臭氧濃度下降的情況比以往更嚴(yán)重。他說，在春天來臨之前，“第一個北極臭氧洞也許已經(jīng)形成，這種發(fā)展速度非常驚人，可能將被載入史冊。目前下定論還為時尚早，不過請靜候我們的進一步消息”。據(jù)專家說，臭氧濃度較低的地區(qū)可能向南最遠已經(jīng)延伸到紐約上空，他們發(fā)出警告說，皮膚癌風(fēng)險或?qū)⑻嵘?/p>