臭氧層

臭氧層

臭氧層是大氣層的平流層中臭氧濃度高的層次。濃度最大的部分位於20—25公里的高度處。若把臭氧層的臭氧校訂到標準情況,則其厚度平均僅為3毫米左右。臭氧含量隨緯度、季節和天氣等變化而不同。紫外輻射在高空被臭氧吸收,對大氣有增溫作用,同時保護了地球上的生物免受遠紫外輻射的傷害,透過的少量紫外輻射,有殺菌作用,對生物大有裨益。

基本信息

基本簡介

發現

人類真正認識臭氧是在150多年以前,德國先貝因(Schanbein)博士首次提出在水電解及火花放電中產生的臭味,同在自然界閃電後產生的氣味相同,先貝因博士認為其氣味難聞,由此將其命名為臭氧。臭氧層由法國科學家法布里於20世紀初發現。1930年英國地球物理學家卡普曼提出,大氣中的臭氧主要是由氧原子同氧分子,在有第三種中性分子參與下進行三體碰撞時產生。60公里以上的高空,太陽紫外線強,氧分子大量離解,三體碰撞機會減少,臭氧含量極少。5公里以下低空,紫外線大大減弱,氧原子很少,難以形成臭氧。在20~25公里高度範圍內,既有足夠的氧原子,又有足夠的氧分子,最有利於三體碰撞,形成的臭氧每年約有500億噸。

大氣中的臭氧大氣中的臭氧

形成

自然界中的臭氧,大多分布在距地面20Km--50Km的大氣中,我們稱之為臭氧層。臭氧層中的臭氧主要是紫外線製造出來的。大家知道,太陽光線中的紫外線分為長波和短波兩種,當大氣中(含有21%)的氧氣分子受到短波紫外線照射時,氧分子會分解成原子狀態。氧原子的不穩定性極強,極易與其他物質發生反應。如與氫(H2)反應生成水(H2O),與碳(C)反應生成二氧化碳(C02)。同樣的,與氧分子(O2)反應時,就形成了臭氧(O3)。臭氧形成後,由於其比重大於氧氣,會逐漸的向臭氧層的底層降落,在降落過程中隨著溫度的變化(上升),臭氧不穩定性愈趨明顯,再受到長波紫外線的照射,再度還原為氧。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉換的動態平衡

時空變化

地球大氣層中臭氧總量有較明顯的時空變化:赤道附近最低,緯度60°附近最高;任一地區在春季最大,秋季最小;在一天內臭氧含量通常是夜間高於白天;在亞洲中緯度地帶,當西伯利亞氣團侵入時,臭氧總量明顯增加,而赤道氣團來臨時,其總量減小。

太陽的紫外線大概有近1%部分可達地面。尤其是在大氣污染較輕的森林、山間、海岸周圍的紫外線較多,存在比較豐富的臭氧。

作用

臭氧層臭氧層

大氣臭氧層主要有三個作用。其一為保護作用,臭氧層能夠吸收太陽光中的波長306.3nm以下的紫外線,主要是一部分UV—B(波長290~300nm)和全部的UV—C(波長<290nm=,保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。只有長波紫外線UV-A和少量的中波紫外線UV-B能夠輻射到地面,長波紫外線對生物細胞的傷害要比中波紫外線輕微得多。所以臭氧層猶如一件保護傘保護地球上的生物得以生存繁衍。

其二為加熱作用,臭氧吸收太陽光中的紫外線並將其轉換為熱能加熱大氣,由於這種作用大氣溫度結構在高度50km左右有一個峰,地球上空15~50km存在著升溫層。正是由於存在著臭氧才有平流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣,所以也就不存在平流層。大氣的溫度結構對於大氣的循環具有重要的影響,這一現象的起因也來自臭氧的高度分布。

其三為溫室氣體的作用,在對流層上部和平流層底部,即在氣溫很低的這一高度,臭氧的作用同樣非常重要。如果這一高度的臭氧減少,則會產生使地面氣溫下降的動力。因此,臭氧的高度分布及變化是極其重要的。

流層中的臭氧吸收掉太陽放射出的大量對人類、動物及植物有害波長的紫外線輻射(240-329納米,稱為UV-B波長),為地球提供了一個防止紫外輻射有害效應的屏障。但另一方面,臭氧遍布整個對流層,卻起著溫室氣體的不利作用。在平流層中臭氧耗損,主要是通過動態遷移到對流層,在那裡得到大部分具有活性催化作用的基質和載體分子,從而發生化學反應而被消耗掉。臭氧主要是與HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活潑自由基發生同族氣相反應。

破壞原因

關於臭氧層變化及破壞的原因,一般認為,太陽活動引起的太陽輻射強度變化,大氣運動引起的大氣溫度場和壓力場的變化以及與臭氧生成有關的化學成分的移動、輸送都將對臭氧的光化學平衡產生影響,從而影響臭氧的濃度和分布。而化學反應物的引入,則將直接地參與反應而對臭氧濃度產生更大的影響。人類活動的影響,主要表現為對消耗臭氧層物質的生產、消費和排放方面。

大氣中的臭氧可以與許多物質起反應而被消耗和破壞。在所有與臭氧起反應的物質中,最簡單而又最活潑的是含碳、氫、氯和氮幾種元素的化學物質,如氧化亞氮(N2O)、水蒸汽(H2O)、四氯化碳(CCl4)、甲烷(CH4)和現在最受重視的氯氟烴(CFC)等。這些物質在低層大氣層正常情況下是穩定的,但在平流層受紫外線照射活化後就變成了臭氧消耗物質。這種反應消耗掉平流層中的臭氧,打破了臭氧的平衡,導致地面紫外線輻射的增加,從而給地球生態和人類帶來一系列問題。

破壞影響

綜述

臭氧層被大量損耗後,吸收紫外輻射的能力大大減弱,導致到達地球表面的紫外線B明顯增加,給人類健康和生態環境帶來多方面的的危害,已受到人們普遍關注的主要有對人體健康、陸生植物、水生生態系統、生物化學循環、材料、以及對流層大氣組成和空氣品質等方面的影響。

對健康的影響

臭氧層阻擋紫外線臭氧層阻擋紫外線
臭氧量的減少、臭氧層的被破壞使到達地面的紫外線輻射量增加。其中UV-B紫外線波段增加更多。UV-B紫外線輻射的增加,將會對人體健康產生很大影響。相關研究表明,紫外線除了在人類皮膚中產生VD外,未發現其他有益效應。紫外線對人體的危害卻較大。主要表現在影響人類皮膚、眼睛及免疫系統。

實驗證明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。據分析,平流層臭氧減少1%,全球白內障的發病率將增加0.6-0.8%,全世界由於白內障而引起失明的人數將增加10,000到15,000人;如果不對紫外線的增加採取措施,到2075年,UV-B輻射的增加將導致大約1800萬例白內障病例的發生。

紫外線UV-B段的增加能明顯地誘發人類常患的三種皮膚疾病。這三種皮膚疾病中,巴塞爾皮膚瘤和鱗狀皮膚瘤是非惡性的。利用動物實驗和人類流行病學的數據資料得到的最新的研究結果顯示,若臭氧濃度下降10%,非惡性皮膚瘤的發病率將會增加26%。另外的一種惡性黑瘤是非常危險的皮膚病,科學研究也揭示了UV-B段紫外線與惡性黑瘤發病率的內在聯繫,這種危害對淺膚色的人群特別是兒童期尤其嚴重;

人體免疫系統中的一部分存在於皮膚內,使得免疫系統可直接接觸紫外線照射。動物實驗發現紫外線照射會減少人體對皮膚癌、傳染病及其他抗原體的免疫反應,進而導致對重複的外界刺激喪失免疫反應。人體研究結果也表明暴露於紫外線B中會抑制免疫反應,人體中這些對傳染性疾病的免疫反應的重要性還不十分清楚。但在世界上一些傳染病對人體健康影響較大的地區以及免疫功能不完善的人群中,增加的UV-B輻射對免疫反應的抑制影響相當大。

已有研究表明,長期暴露於強紫外線的輻射下,會導致細胞內的DNA改變,人體免疫系統的機能減退,人體抵抗疾病的能力下降。這將使許多開發中國家本來就不好的健康狀況更加惡化,大量疾病的發病率和嚴重程度都會增加,尤其是包括麻疹、水痘、皰疹等病毒性疾病,瘧疾等通過皮膚傳染的寄生蟲病,肺結核麻瘋病等細菌感染以及真菌感染疾病等。

對生物的影響

雖然植物已發展了對抗UV-8高水平的保護性機制,但實驗研究表明,它們對波長為280~320納米水平增加的應變能力差異甚大。迄今為止,已對200多種不同的植物進行了波長為280~320納米的紫外線敏感性試驗,發現其中2/3產生了反應。敏感的物種如棉花、豌豆、大豆、甜瓜和捲心菜,都發現生長緩慢,有些花粉不能萌發。它能損傷植物激素和葉綠素,從而使光合作用降低。

對全球氣候的影響

平流層中臭氧對氣候調節具有兩種相反的效應,如果平流層中臭氧濃度降低,在這裡吸收掉的紫外線輻射就會相應減少,平流層自身會變冷,這樣釋放出的紅外輻射就會減少,因之會使地球變冷。另一方面,因輻射到地面的紫外線輻射量增加,會使地球增溫變暖。如果整個平流層中臭氧濃度的減少是均勻的,則上述兩種效應可以互相抵消,但是如果平流層的不同區域的臭氧層濃度降低不一致,兩種效應就不會相互抵消。現在的狀況是,平流層臭氧層減少呈不均勻減少趨勢,這種變化的淨效應如何,還有待科學研究進一步證實。

保護對策

臭氧減少帶來的危險已受到國際社會的普遍關注,為了保護臭氧層免遭破壞,以更好地保護生態環境,國際上保護臭氧層的行動已持續了20餘年。

1、建立國際間和各國的臭氧層保護法律約束機制,控制破壞臭氧層物質的排放。

國際上先後通過了《關於臭氧層保護計畫》、《保護臭氧層維也納公約》、《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》。我國於1991年6月簽署了《議定書》的倫敦修正案,目前《議定書》的締約方已達168個。1994年第52次聯合國大會決定,把每年的9月16日定為國際保護臭氧層日。我國正在為實現《議定書》規定的指標而努力,制定並實施了20餘項有關保護臭氧層的政策。這對減少消耗臭氧層物質濃度及保護臭氧層具有重要意義。

2、加強氟里昂代用品的研究開發力度

氟里昂替代品的開發受到了廣泛受到重視,目前主要包括含氫的氟里昂,其在到達臭氧層之前的對流圈被分解。或者用不含氯的氟里昂,如F32,F215,F134a和F143等,即使它們到達臭氧層也不會產生破壞作用。有的替代品則是不含F和Cl的有機物,如精製的石油氣和二甲醚、烷烴、氮氣、二氧化碳等。此外,回收和分解氟氯烴的研究工作也正在進行。

3、提高對保護臭氧層的認識,牢固樹立環境意識

儘管人類企圖尋找另一個與地球相近、可供人類生存的星球,但不得不承認地球仍然是人類的唯一家園,人離開地球將無法生存。因此,必須善待地球、善待自然,不能以犧牲環境為代價,片面強調發展的速度與數量。相反,應強調人與自然的和諧,強調資源的持續利用,認識臭氧層的作用,增強生態環境意識,共同維護地球。

保護現狀

現存危機

由於臭氧有其特殊的性質,並易受各種因素的影響,所以臭氧層又是十分脆弱的。衛星觀測資料表明,自20世紀70年代以來,全球臭氧總量明顯減少,1979年~1990年全球臭氧總量大致下降了3%。南極附近臭氧量減少尤為嚴重,大約低於全球臭氧平均值30%~40%,出現了“南極臭氧洞”。自1985年發現“臭氧洞”以來,到1987年它變得既寬又深,1988年雖然有所緩解,但1989年以後到90年代的前幾年裡,每年南半球春季都出現很強的“臭氧洞”,1994年到1996年南極臭氧洞還在擴大。最近,從安裝在俄羅斯和美國衛星上的探測器發回的數據獲悉,“南極臭氧洞”面積已達2400平方千米,最薄處只有100多布森單位(100dobson,相當於1毫米厚度)。

恢復成果

2014年9月12日,負責近4年臭氧水平評估的美國航天局科學家保爾·紐曼說,2000年至2013年,中北緯度地區50公里高度的臭氧水平已回升4%。科學家把這種積極變化歸功於全球對某些製冷劑、發泡劑的限制使用,同時說明只要全球行動,人類可以抵制或者延緩生態危機。聯合國組織300名科學家對地球臭氧水平進行持續監測,每4年為一個評估期。另外,臭氧層雖然在恢復,距離痊癒還很遙遠。南極臭氧層空洞依舊存在,最新計算顯示,臭氧濃度水平仍比1980年低6%。先前有預測認為,南極臭氧層空洞可能在2065年前完全消失。聯合國環境項目執行主管阿希姆·施泰納依據最新數據判斷,臭氧層可能會在本世紀中期實現痊癒,但仍需仰仗各國的共同努力。

2014年9月10日,世界氣象組織與聯合國環境規劃署發布報告說,地球臭氧層有望在未來幾十年內得到恢復。兩個組織當天發布的《2014年臭氧層消耗科學評估報告》摘要版指出,國際社會於1987年達成的《蒙特婁議定書》為減少消耗臭氧層物質的排放作出了巨大貢獻。基於該議定書及相關協定開展的行動成功降低了曾用於冰櫃、噴霧器、絕緣泡沫塑膠和滅火器等產品的氟氯化碳和哈龍等氣體在大氣中的豐度。

報告指出,如果能夠全面遵循《蒙特婁議定書》,中緯度地區和北極上空的臭氧層有望在本世紀中葉以前恢復到1980年的基準水平(臭氧層出現嚴重消耗之前的水平),南極部分地區有望在晚些時候恢復到這一水平。

2018年11月,聯合國發布的《2018年臭氧層消耗科學評估報告》稱,得益於《蒙特婁議定書》的實施,地球的臭氧層正在癒合,在2050年前南半球的臭氧層將恢復原樣。但《自然-地球科學》12月21日線上發表的一項研究卻表明,中國東部地區氯仿排放量的增加可能會使臭氧層的修復延遲4至8年 。

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