臭氧層

臭氧層

臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧濃度相對較高的部分,其主要作用是吸收短波紫外線。大氣層的臭氧主要以紫外線打擊雙原子的氧氣,把它分為兩個原子,然後每個原子和沒有分裂的氧合併成臭氧。臭氧分子不穩定,紫外線照射之後又分為氧氣分子和氧原子,形成一個繼續的過程臭氧氧氣循環,如此產生臭氧層。自然界中的臭氧層大多分布在離地20—50千米的高空。臭氧層中的臭氧主要是紫外線製造。2011年11月1日,日本氣象廳發布的訊息稱,今年以來測到的南極上空臭氧層空洞面積的最大值超過去年,已相當於過去10年的平均水平值。

基本信息

基本簡介

命名

人類真正認識臭氧是在150多年以前,德國化學家先貝因(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。臭氧層顧名思義,帶有微臭,在閃電的時候,有可能會聞到一股怪味,這便是閃電過後產生的。

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。

數據

在這么廣大的區域內,臭氧估計小於大氣的十萬分之一。如果在0℃的溫度下,把地球大氣層中所有的臭氧全部壓縮到一個標準大氣壓,則它也只能形成約3毫米厚的一層氣體。那么,地球表面是否有臭氧存在呢?回答是肯定的。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。

臭氧層臭氧層

人類真正認識臭氧是在150多年以前,德國化學家先貝因(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類似於希臘文的(意為“難聞”),由此將其命名為臭氧)。臭氧層顧名思義,帶有微臭,在閃電的時候,有可能會聞到一股怪味,這便是閃電帶下來的。

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。

在這么廣大的區域內到底有多少臭氧呢?估計小於大氣的十萬分之一。如果把大氣中所有的臭氧集中在一起,僅僅有三公分薄的一層。那么,地球表面是否有臭氧存在呢?回答是肯定的。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。

此外,雷電作用也產生臭氧,分布於地球的表面。正因為如此,雷雨過後,人們感到空氣的清爽,人們也願意到郊外的森林、山間、海岸去吮吸大自然清新的空氣,享受自然美景的同時,讓身心來一次爽爽快快的“洗浴”,這就是臭氧的功效,所以有人說,臭氧是一種乾淨清爽的氣體。臭氧有極強的氧化性,少量的臭氧會使人感到精神振奮;但過強的氧化性也使其具有殺傷作用。一些過敏體質的人,長時間暴露在臭氧含量超過180微克/立方米的環境,會出現皮膚刺癢、呼吸不暢、咳嗽及鼻炎等症狀。

破壞原因

1.當氟氯碳化物漂浮在空氣中時,由於受到陽光中紫外線的影響,開始分解釋出氯原子出來。

2.這些氯原子的活性極大,常喜歡與其它物質結合。因此當它遇到臭氧的時候,便開始產生化學變化!

3.臭氧被迫分解成一個氧原子(O)及一個氧分子(O2),而氯原子就與氧原子相結合。

4.可是當其它的氧原子遇到這個氯氧化和的分子,就又把氧原子搶回來,組成一個氧分子(O2),而恢復成單身的氯原子就又可以去破壞其它的臭氧了!、

破會機理

氣相反應在平流層中,一部分氧氣分子可以吸收小於240μm波長的太陽光中的紫外線,並分解形成氧原子。這些氧原子與氧分子相結合生成臭氧,生成的臭氧可以吸收太陽光而被分解掉,也可與氧原子相結合,再度變成氧分子。其過程可用下面的化學反應方程式來表示:O2+Hυ→2O?O2+O+M+O3→M?O3+hυ→J[10]O2+O?O3+O→2O2M為反應第三體,它們是氮氣和氧氣分子,其作用是與生成的臭氧相碰撞,接受過剩的能量以使臭氧穩定。臭氧的濃度取決於上述純氧反應理論生成反應和消除反應的平衡狀態,它可以大體上重現出臭氧濃度的高度分布。但是從定量角度看,這一理論得出的平流層臭氧濃度是實際臭氧濃度的2倍左右。?純氧理論出現的問題,主要是沒有考慮到大氣中的微量成份的催化作用,通過鏈式反應消除臭氧。其鏈式反應方程式如下:X+O3→XO+O2?XO+O→X+O2合計O+O2→2O2?其中X為H,OH,NO,Cl。如果考慮了上述大氣中微量成分消除臭氧的反應,再考慮大氣運動效果,則大體上可以再現實際的臭氧高度分布。在平流層中,臭氧的生成和消亡處於動態平衡,正常情況下維持一定的濃度。引起破壞人類生產和使用大量CFCs,因其化學穩定性好、在對流層下不易被分解而進入平流層。到達平流層的CFCs受到短波紫外線UV—C的照射,分解為Cl自由基,參與對臭氧的消耗,見下圖。Cl?自由基消耗臭氧的連鎖循環過程如下:CFxCly→CFxCly-1+Cl?Cl+O3→ClO+O2?O2→2OClO+O→Cl+O2?Cl?自由基與O3反應的速度比NO與O3的反應快6倍。反應過程中釋放的氯可以在平流層中存在好幾年,因此一個Cl?自由基能夠消耗10萬個O3就不足為怪了。一般情況下CFCs放出一個氯離子,但是剩下的基團可以通過與氧氣等的後續反應,使CFCs中的全部氯都以破壞臭氧層的活動形態放出。與此類似,臭氧的消耗應反還可以通過溴原子來進行,這些溴原子是從鹵代烷滅火劑即哈龍中釋放出來的。雖然哈龍對臭氧的破壞能力比CFCs要高,但由於大氣中哈龍的濃度要遠低於CFCs,整體而言,哈龍對臭氧的破壞要比CFCs小。在我國使用哈龍1211和哈龍1301的數量很大,就其破壞臭氧層的能力而言是CFCs的1/3,其破壞作用不可忽視。僅僅根據氣相反應理論,臭氧減少的最明顯的高度應在40km附近。但是實際上臭氧減少趨勢最大的高度是20km附近。而20km附近正是臭氧濃度最高的區域,這一事實進一步說明了臭氧層破壞的嚴重性。這種氣相反應經典理論,與實際臭氧層破壞狀況不一致的原因現已找到。這是由於破壞臭氧的反應通常是在顆粒狀氣溶膠表面進行,即非均相反應所造成的。正是非均相反應極大地破壞臭氧層才造成南極“臭氧空洞”。

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

陽光紫外線UV-B的增加對人類健康有嚴重的危害作用。潛在的危險包括引發和加劇眼部疾病、皮膚癌和傳染性疾病。對有些危險如皮膚癌已有定量的評價,但其他影響如傳染病等仍存在很大的不確定性。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,肺結核和麻瘋病等細菌感染以及真菌感染疾病等;

對植物的影響

臭氧層損耗對植物的危害的機制尚不如其對人體健康的影響清楚,但研究表明,在已經研究過的植物品種中,超過50%的植物有來自UV-B的負影響,比如豆類、瓜類等作物,另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的質量將會下降;植物的生理和進化過程都受到UV-B輻射的影響,甚至與當前陽光中UV-B輻射的量有關。植物也具有一些緩解和修補這些影響的機制,在一定程度上可適應UV-B輻射的變化。不管怎樣,植物的生長直接受UV-B輻射的影響,不同種類的植物,甚至同一種類不同栽培品種的植物對UV-B的反應都是不一樣的。在農業生產中,就需要種植耐受UV-B輻射的品種,並同時培養新品種。對森林和草地,可能會改變物種的組成,進而影響不同生態系統的生物多樣性分布。

UV-B帶來的間接影響,例如植物形態的改變,植物各部位生物質的分配,各發育階段的時間及二級新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大,甚至更為嚴重。這些對植物的競爭平衡、食草動物、植物致病菌和生物地球化學循環等都有潛在影響。這方面的研究工作尚處起步階段。

對生態的影響

世界上30%以上的動物蛋白質來自海洋,滿足人類的各種需求。在許多國家,尤其是開發中國家,這一百分比往往還要高。因此很有必要知道紫外輻射增加後對水生生態系統生產力的影響。此外,海洋在與全球變暖有關的問題中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大氣中二氧化碳的一個重要去除途徑,它們對未來大氣中二氧化碳濃度的變化趨勢起著決定性的作用。海洋對CO2氣體的吸收能力降低,將導致溫室效應的加劇。

海洋浮游植物並非均勻分布在世界各大洋中,通常高緯度地區的密度較大,熱帶和亞熱帶地區的密度要低10到100倍。除可獲取的營養物,溫度,鹽度和光外,在熱帶和亞熱帶地區普遍存在的陽光UV-B的含量過高的現象也在浮游植物的分布中起著重要作用。

浮游植物的生長局限在光照區,即水體表層有足夠光照的區域,生物在光照區的分布地點受到風力和波浪等作用的影響。另外,許多浮游植物也能夠自由運動以提高生產力以保證其生存。暴露於陽光UV-B下會影響浮游植物的定向分布和移動,因而減少這些生物的存活率。

研究人員已經測定了南極地區UV-B輻射及其穿透水體的量的增加,有足夠證據證實天然浮游植物群落與臭氧的變化直接相關。對臭氧洞範圍內和臭氧洞以外地區的浮游植物生產力進行比較的結果表明,浮游植物生產力下降與臭氧減少造成的UV-B輻射增加直接有關。一項研究表明在冰川邊緣地區的生產力下降了6-12%。由於浮游生物是海洋食物鏈的基礎,浮游生物種類和數量的減少還會影響魚類和貝類生物的產量。據另一項科學研究的結果,如果平流層臭氧減少25%,浮游生物的初級生產力將下降10%,這將導致水面附近的生物減少35%。

研究發現陽光中的UV-B輻射對魚、蝦、蟹、兩棲動物和其它動物的早期發育階段都有危害作用。最嚴重的影響是繁殖力下降和幼體發育不全。即使在現有的水平下,陽光紫外線B已是限制因子。紫外線B的照射量很少量的增加就會導致消費者生物的顯著減少。

儘管已有確鑿的證據證明UV-B輻射的增加對水生生態系統是有害的,還只能對其潛在危害進行粗略的估計。

對循環的影響

陽光紫外線的增加會影響陸地和水體的生物地球化學循環,從而改變地球--大氣這一巨系統中一些重要物質在地球各圈層中的循環,如溫室氣體和對化學反應具有重要作用的其他微量氣體的排放和去除過程,包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧硫化碳(COS)及O3等。這些潛在的變化將對生物圈和大氣圈之間的相互作用產生影響。對陸生生態系統,增加的紫外線會改變植物的生成和分解,進而改變大氣中重要氣體的吸收和釋放。當紫外線B光降解地表的落葉層時,這些生物質的降解過程被加速;而當主要作用是對生物組織的化學反應而導致埋在下面的落葉層光降解過程減慢時,降解過程被阻滯。植物的初級生產力隨著UV-B輻射的增加而減少,但對不同物種和某些作物的不同栽培品種來說影響程度是不一樣的。

在水生生態系統中陽光紫外線也有顯著的作用。這些作用直接造成UV-B對水生生態系統中碳循環、氮循環和硫循環的影響。UV-B對水生生態系統中碳循環的影響主要體現於UV-B對初級生產力的抑制。在幾個地區的研究結果表明,現有UV-B輻射的減少可使初級生產力增加,由南極臭氧洞的發生導致全球UV-B輻射增加後,水生生態系統的初級生產力受到損害。除對初級生產力的影響外,陽光紫外輻射還會抑制海洋表層浮游細菌的生長,從而對海洋生物地球化學循環產生重要的潛在影響。陽光紫外線促進水中的溶解有機質(DOM)的降解,使得所吸收的紫外輻射被消耗,同時形成溶解無機碳(DIC)、CO以及可進一步礦化或被水中微生物利用的簡單有機質等。UV-B增加對水中的氮循環也有影響,它們不僅抑制硝化細菌的作用,而且可直接光降解象硝酸鹽這樣的簡單無機物種。UV-B對海洋中硫循環的影響可能會改變COS和二甲基硫(DMS)的海-氣釋放,這兩種氣體可分別在平流層和對流層中被降解為硫酸鹽氣溶膠。

對材料的影響

因平流層臭氧損耗導致陽光紫外輻射的增加會加速建築、噴塗、包裝及電線電纜等所用材料,尤其是高分子材料的降解和老化變質。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區,這種破壞作用更為嚴重。由於這一破壞作用造成的損失估計全球每年達到數十億美元。無論是人工聚合物,還是天然聚合物以及其它材料都會受到不良影響。當這些材料尤其是塑膠用於一些不得不承受日光照射的場所時,只能靠加入光穩定劑或進行表面處理以保護其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會加速這些材料的光降解,從而限制了它們的使用壽命。研究結果已證實短波UV-B輻射對材料的變色和機械完整性的損失有直接的影響。

在聚合物的組成中增加現有光穩定劑的用量可能緩解上述影響,但需要滿足下面三個條件:①在陽光的照射光譜發生了變化即UV-B輻射增加後,該光穩定劑仍然有效;②該光穩定劑自身不會隨著UV-B輻射的增加被分解掉;③經濟可行。利用光穩定性更好的塑膠或其他材料替代現有材料是一個正在研究中的問題。然而,這些方法無疑將增加產品的成本。而對於許多正處在用塑膠替代傳統材料階段的開發中國家來說,解決這一問題更為重要和迫切。

對空氣的影響

平流層臭氧的變化對對流層的影響是一個十分複雜的科學問題。一般認為平流層臭氧的減少的一個直接結果是使到達低層大氣的UV-B輻射增加。由於UV-B的高能量,這一變化將導致對流層的大氣化學更加活躍。首先,在污染地區如工業和人口稠密的城市,即氮氧化物濃度較高的地區,UV-B的增加會促進對流層臭氧和其它相關的氧化劑如過氧化氫(H2O2)等的生成,使得一些的城市地區臭氧超標率大大增加。而與這些氧化劑的直接接觸會對人體健康、陸生植物和室外材料等產生各種不良影響。在那些較偏遠的地區,即NOx的濃度較低的地區,臭氧的增加較少甚至還可能出現臭氧減少的情況。但不論是污染較嚴重的地區還是清潔地區,H2O2和OH自由基等氧化劑的濃度都會增加。其中H2O2濃度的變化可能會對酸沉降的地理分布帶來影響,結果是污染向郊區蔓延,清潔地區的面積越來越少。

其次,對流層中一些控制著大氣化學反應活性的重要微量氣體的光解速率將提高,其直接的結果是導致大氣中重要自由基濃度如OH基的增加。OH自由基濃度的增加意味著整個大氣氧化能力的增強。由於OH自由基濃度的增加會使甲烷和CFC替代物如HCFCs和HFCs的濃度成比例的下降,從而對這些溫室氣體的氣候效應產生影響。

而且,對流層反應活性的增加還會導致顆粒物生成的變化,例如雲的凝結核,由來自人為源和天然源的硫(如氧硫化碳和二甲基硫)的氧化和凝聚形成。儘管對這些過程了解的還不十分清楚,但平流層臭氧的減少與對流層大氣化學及氣候變化之間複雜的相互關係正逐步被揭示。

作用

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臭氧層阻擋紫外線中的波長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。

測量

臭氧的測量包括鉛直氣柱中臭氧總量的測量和臭氧濃度鉛直分布的測臭氧層空洞對地球的危害示意圖量兩種。測量方法分直接法和間接法:前者對臭氧進行採樣分析;後者在臭氧層外進行測量,大都用光譜分析方法。臭氧測量結果,除採用通常的單位表示外,還用多布森單位,記為DU,它等於千分之一厘米(標準狀態臭氧層厚)。臭氧間接測量法:光譜分析法是觀測穿過大氣層的太陽直射光或散射光的光譜,然後計算出臭氧含量及其鉛直分布。在臭氧吸收帶中(見大氣臭氧層),太陽直射光或散射光穿過大氣層,受到臭氧分子的吸收,並受到氣體分子和氣溶膠粒子的散射。波長為λ的單色太陽光,通過大氣層時輻射強度的削弱服從比爾定律。測量臭氧的常用光學儀器有多布森分光光度計和M-83濾光片臭氧儀。多布森分光光度計被認為是測量臭氧的標準儀器。其他類型的儀器都必須定期用它校準。M-83濾光片臭氧儀主要在蘇聯和歐洲的部分國家使用。用氣象衛星也可以測得全球臭氧的分布。如雨雲4號衛星上用後向散射紫外光譜儀和紅外干涉光譜儀進行大氣臭氧的觀測。前者測量大氣對太陽光的後向紫外散射,它接收2500~3400埃中12個波段的紫外光譜,由此反演出大氣臭氧含量全球的分布;後者除了測量大氣溫度和濕度外,還測量大氣臭氧(9.6微米波段,在此波國際保護臭氧層日相關圖片段中接收4個波長的輻射)。將這兩種光譜儀結合起來,可以探測大氣臭氧濃度隨高度的分布,例如在雨雲6號衛星上,有臨邊輻射反演輻射儀(LRIR),它接收大氣臭氧9.6微米輻射帶的信息,用輻射傳輸方程反演,可獲得臭氧的鉛直分布。臭氧直接測量法 用電化學或化學發光方法測量臭氧含量,可不受大氣透明度和天氣條件的限制,白天或黑夜均可進行觀測。臭氧測量方法各有優缺點,常常要用多種方法互相補充,互相比較,以求獲得完整可靠的資料。

破壞現狀

臭氧(O3)是氧元素的同素異形體,它的化學性質十分活潑,很容易跟其他物質發生化學反應。實際上,在臭氧層內,臭氧的形成是眾多物質參與,一系列化學反應達到化學平衡的結果。臭氧在遇到H、OH、NO、Cl、Br時,就會被催化,加速分解為O2。氯氟烴之所以被認為是破壞臭氧層的物質就是因為它們在在太陽輻射下分解出Cl和Br原子。

1984年,英國科學家首次發現南極上空出現臭氧洞。1985年,美國的 “雨雲-7號”氣象衛星測到了這個臭氧洞。

1985 年,英國科學家法爾曼等人在南極哈雷灣觀測站發現:在過去 10 - 15 年間、每到春天南極上空的臭氧濃度就會減少約 30%,有近 95% 的臭氧被破壞。從地面上觀測,高空的臭氧層已極其稀薄,與周圍相比像是形成一個“洞”,直徑達上千公里,“臭氧洞”由此而得名。衛星觀測表明,此洞復蓋面積有時比美國的國土面積還要大。到 1998 年臭氧空洞面積比 1997 年增大約 15%,幾乎相當於三個澳大利亞大。前不久,日本環境廳發表的一項報告稱,1998 年南極上空臭氧空洞面積已達到歷史最高記錄,為 2720 萬平方公里,比南極大陸還大約 1 倍。

臭氧層臭氧層

美、日、英、俄等國家聯合觀測發現,近年來,北極上空臭氧層也減少了 20%。在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原,中國大氣物理及氣象學者的觀測也發現,青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度減少。根據全球總臭氧觀測的結果表明,除赤道外,1978 - 1991 年總臭氧每 10 年間就減少 1% - 5%。儘管人們已簽署了《蒙特婁協定書》,但每年春天,在地球的兩個極地的上空仍再次形成臭氧層空洞,北極的臭氧層損失20%到30%,南極的臭氧層損失51%以上。

破壞危機

臭氧層耗竭,會使太陽光中的紫外線大量輻射到地面。紫外線輻射增強,對人類及其生存的環境會造成極為不利的後果。有人估計,如果臭氧層中臭氧含量減少10%,地面不同地區的紫外線輻射將增加19%~22%,由此皮膚癌發病率將增加15%~25%.另據美國環境局估計,大氣層中臭氧含量每減少1%,皮膚癌患者就會增加10萬人,患白內障和呼吸道疾病的人也將增多。系外線輻射增強,對其他生物產生的影響和危害也令人不安。有人認為,臭氧層被破壞,將打亂生態系統中複雜的食物鏈,導致一些主要生物物種滅絕。臭氧層的破壞,將使地球上三分之二的農作物減產,導致糧食危機。紫外線輻射增強,還會導致全球氣候變暖。

紀念日

綜述

1995年1月23日,聯合國大會通過決議,確定從1995年開始,每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”。旨在紀念1987年9月16日簽署的《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》,要求所有締約國根據“議定書”及其修正案的目標,採取具體行動紀念這一特殊的日子。

確立歷史背景

臭氧層臭氧層

臭氧層破壞是當前面臨的全球性環境問題之一,自70年代以來就開始受到世界各國的關注。聯合國環境規劃署自1976年起陸續召開了各種國際會議,通過了一系列保護臭氧層的決議。尤其在1985年發現了在南極周圍臭氧層明顯變薄,即所謂的“南極臭氧洞”問題之後,國際上保護臭氧層的呼聲更加高漲。

1976年4月,聯合國環境署理事會決定召開一次“評價整個臭氧層”國際會議之後,於1977年3月在美國華盛頓召開了有32個國家參加的“專家會議”。會議通過了第一個“關於臭氧層行動的世界計畫”。這個計畫包括監測臭氧和太陽輻射、評價臭氧耗損對人類健康的影響、對生態系統和氣候的影響,以及發展用於評價控制措施的費用及益處的方法等,並要求聯合國環境署建立一個臭氧層問題協調委員會。這個計畫提出了對受控物質生產和使用的控制。

1980年,協調委員會提出了臭氧耗損嚴重威脅著人類和地球生態系統這一評價結論。

1981年,聯合國環境署理事會建立了一個工作小組,其任務是籌備保護臭氧層的全球性公約。

經過4年的艱苦工作,1985年3月在奧地利首都維也納通過了有關保護臭氧層的國際公約----《保護臭氧層維也納公約》,該公約從1988年9月起生效。這個公約只規定了交換有關臭氧層信息和數據的條款,但對控制消耗臭氧層物質的條款卻沒有約束力。《公約》的宗旨和原則是正確的,促進了各國就保護臭氧層這一問題的合作研究和情報交流。

在《保護臭氧層維也納公約》的基礎上,為了進一步對氯氟烴類物質進行控制,在審查世界各國氯氟烴類物質生產、使用、貿易的統計情況的基礎上,通過多次國際會議協商和討論,於1987年9月16日在加拿大的蒙特婁會議上,通過了《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》,並於1989年1月1日起生效。

“蒙特婁議定書”規定,參與條約的每個成員組織(國家或國家集團)將凍結並依照縮減時間表來減少5種氟利昂的生產和消耗;凍結並減少3種溴代物的生產的消耗。

5組氟利昂的大部分消耗量,將從1989年7月1日起,凍結在1986年使用量的水平上;從1993年7月1日起,其消耗量不得超過1986年使用量的80%;從1998年7月1日起,減少到1986年使用量的50%。

“蒙特婁議定書”實施後的調查表明,根據議定書規定的控制進程並不理想。

1989年3-5月,聯合國環境署連續召開了保護臭氧層倫敦會議與“公約”和“議定書”締約國第一次會議——赫爾辛基會議,進一步強調保護臭氧層的緊迫性,並於1989年5月2日通過了《保護臭氧層赫爾辛基宣言》,鼓勵所有尚未參加《保護臭氧層維也納公約》及《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》的國家儘早參加;同意在適當考慮開發中國家特別情況下,儘可能地但不遲於2000年取消受控氯氟烴類物質的生產和使用;儘可能早地控制和削減其它消耗臭氧的物質;加速替代產品和技術的研究與開發;促進開發中國家獲得有關科學情報、研究成果和培訓,並尋求發展適當資金機制促進以最低價格向開發中國家轉讓技術和替換設備。

1990年6月20-29日,聯合國環境規則署在倫敦召開了關於控制消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書締約國第二次會議。57個締約國中的53個國家的環境部長或高級官員及歐共體代表參加了會議。此外,還有40個非締約國的代表參加了會議。這次大會又通過了若干補充條款,修正和擴大了對有害臭氧層物質的控制範圍,受控物質由原來的2類8種擴大到7類上百種。規定締約國在2000年或更早的時間裡淘汰氟利昂和哈龍。到1995年,四氯化碳將減少85%;到2000年將全部淘汰。到2000年,三氯乙烷將減少70%;2005年以前全部淘汰。

氮的氧化物同樣也會破壞臭氧層。

臭氧層與生命

臭氧層臭氧層

1995年諾貝爾化學獎授於對臭氧層的濃度平衡機制研究卓有成效的3位大氣化學家,克魯岑、羅蘭和莫里那。從1840年Soh” nbein發現臭氧氣體至今已157年,在這漫長的歲月中,隨著科學及測量技術的不斷進步,人類對臭氧層的認識日益深入,其中有著名的Chapman臭氧層光化學理論(1930年)及羅蘭-莫里那理論(1974年)。1985年,法曼發現南極臭氧層有嚴重損失,1995年初,美國太空總署發布了衛星遙感測量結果,證實了羅蘭-莫里那理論,使人們認識到臭氧層對於生命、全球氣候以及人類的未來至關重要。

在地球的大氣層中,臭氧(O?)的含量極少,僅占空氣的幾百萬分之一,主要集中在離地面10~50km的平流層,臭氧和氧氣是氧元素的同素異構體,呈淡藍色,因有一種魚腥臭味,故名臭氧。1930年首次提出了高空臭氧形成和破壞的理論,認為,臭氧的形成及破壞均與太陽中紫外輻射有關。

氧及臭氧層的出現是生物進化發展的一個非常重要的轉折點。據考,約25億年前,地球不存在氣體氧或很少,因而太陽中的紫外輻射可直接到達地球表面,太陽輻射的總能量中,紫外區段占到近1.5%。高能量的紫外輻射對化學進化乃至生命誕生的化學反應起到很重要的作用,尤其是240~290納米的紫外區段對今天的生命本質物質——核酸和蛋白質有嚴重的破壞作用,假如沒有臭氧層擋住紫外輻射,地球陸地上將荒蕪一片,任何形式的生命在陸地上斷難存在,這或許是生命誕生於原始海洋中的原因之一,有些科學家就曾提出,在原始海洋中的一定深度——足以過濾大多數紫外輻射,留下充分的紫外輻射來促成生命前驅的化學反應。

另外,有資料表明,生命在34億年前就已發生,那時的生命只能存在於海洋中,以防止紫外輻射的灼傷致死。其次,其進化速度與後來的生物相比甚為緩慢,因為海洋環境較之陸地環境穩定而均一得多。然而,海洋中的有機物畢竟是有限的,棲息于海洋中的原始生物生息發展最終會因食物匱乏而面臨滅頂這災,在這嚴重的選擇壓力下,能進行光合作用自己製造營養的自養生物誕生了,它們固定太陽能,用CO2合成營養,同時放出O2。由於自養生物不斷發展,地球大氣中O2的濃度不斷升高,當時地球上的原始生物,絕大多數是厭氧的,然而為了生存,有許多形式的生命被迫接受了O2。這樣,O2的大量出現,改變了生物進化的過程,第一,接受了O2的生物由原來的無氧呼吸變成了有氧呼吸,呼吸效率因此而提高了大約19倍,得到迅速而蓬勃的發展;第二,大量氧氣吸收紫外輻射在地球中層大氣形成了臭氧層,為海棲生物登入發展提供了前所未有的“安全”環境,確實,當初簡單的動物正是有氧後出現並得到進化發展的。在這漫長的二十幾億年的發展中,生命不知經歷了多少次的興衰。然而其間無論是舊種的滅絕,還是新種的誕生,除極少數生命早期遺留下來的厭氧種外,其餘無一例外都是需氧的,尤其是產氧的綠色植物的繁榮發展,使臭氧層與生物相互依賴到了如今。然而,臭氧層越來越受到人類活動的威脅。1985年,英國的約瑟夫·法曼在《自然》雜誌上發表了他在南極做了近30年的臭氧觀測結果,南極的臭氧濃度在幾年間劇降了50%。高空臭氧本身存在自然的生成和破壞的動態平衡機制,然而隨著人類工業文明的高度發展,這種平衡正在被人類所打破,尤其是本世紀以來,人造的氯氟碳化物,如CFC-11及CFC-12(俗稱氟城昂)等,被廣泛用作氣霧劑、煙霧劑的壓縮氣體、泡沫充填材料及冰櫃等的製冷介質。這些氯氟碳化物會在產品使用過程中或壽命結束後,被排放到大氣中。由於此類物質性質極穩定,唯一的損失途徑是紫外輻射照射下分解。當它們飄至臭氧層上空,高能的紫外輻射破壞其碳氯鍵,釋放出氯原子。氯原子像催化劑一樣,使臭氧破壞而消耗,即 Cl+O?→ClO+O?,ClO+O→Cl+O?。據計算,平均一個氟原子可以消耗10萬個臭氧分子。對臭氧層有嚴重影響的還有氮氧化物,最明顯的是NO。NO的來源主要是微生物的活動及飛機和汽車發動機產生的。此外,甲烷也被認為是對臭氧層破壞有重要影響的物質。據科學家估算,高空臭氧每減少1%,就會有額外2%的紫外輻射到達地球表面。這些紫外輻射會嚴重損傷動植物,並使人類皮膚癌的患病率大大提高。

臭氧層除了禁止大量太陽中的紫外輻射外,還參與了大氣環流。臭氧的減少,不僅直接給地球上的生命帶來慘重的損失,而且使地球大氣低層變暖、高層變冷,加重溫室效應,從而導致地球氣候和大氣形式的更大變化。

大氣臭氧研究在國際組織的協調下顯得十分活躍。相信在21世紀人類定會為保護臭氧層做出卓有成效的努力。

相當於催化臭氧分解成為氧氣,又讓人類提高了生活水平。

人類不斷向地球排放二氧化碳等廢氣,把大氣弄髒了,使地球像在大熱天裡穿了一件髒棉襖,體溫不斷地升高。過往我們在冬天穿大棉襖,戴棉手襪,只穿一件毛衣也不覺得冷,這就是臭氧層被破壞的表現。由於各種廢氣的排放,使臭氧層產生了“空洞。臭氧層的作用很大:臭氧層能夠吸收太陽光中的波長300 μm以 下的紫外線,保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。所以臭氧層猶如一件宇宙服保護地球上的生物。

北極臭氧

北極疑似出現臭氧層?

科學家們總是在不斷的探尋,帶給我們許多新的自然資訊。科學家發現,北極地區同溫層雲的出現頻率越來越頻繁,它將引發破壞臭氧層的化學變化。

近幾十年來,北極地區的臭氧總量是減少的,儘管這一帶曾出現驚險空前的臭氧低值區,但是未達到“洞”的標準。那么,北極是否會出現臭氧洞?極地臭氧洞的出現會帶來哪些新問題?

南極科考隊員正在釋放一個熱氣球,以檢測當地大氣層中的臭氧層和溫室氣體排放量。

北極臭氧層北極臭氧層

“低值區”未必就是“洞”

與南極的臭氧相比,北極的臭氧似乎更有幾分神秘感。特別是2011年春季,北極地區出現臭氧低值區,臭氧損耗創下歷史新高。

一時間,“北極首個臭氧空洞已經形成”、“史上最大北極臭氧空洞引發科學家擔心,面積大如美國大陸”等報導鋪天蓋地,眾說紛紜。

陸龍驊是中國氣象科學研究院研究員,多年從事極地氣象研究,曾5次赴南北極科學考察,對於極地地區的臭氧做了大量的研究。雖然此前國內外都有媒體報導“北極首現臭氧洞”,但他認為“很多媒體對此的報導並不確切”。

“從目前觀測資料來講,只有南極上空出現臭氧洞,北極上空及青藏高原上空出現過臭氧低值區,在某一地區相對其他地區來講臭氧總量的含量要相對較低,但從氣候平均值來看,沒有低於220多普森單位(DU)。嚴格意義來講,除了南極以外其他地區還沒有發現臭氧洞的存在。”中國科學院研究員高登義研究員表示。

陸龍驊認為,“臭氧洞是有嚴格科學定義的,並不是所有的臭氧低值區都能稱為臭氧洞。”以南極春季出現的臭氧洞為例,“南極臭氧洞”至少有三個特點:一是臭氧數值低,應在220 DU以下;二是低值區(低於220 DU)範圍大,常超過百萬平方公里;三是低值持續時間長,常為2到4個月左右。

由此,他認為,從嚴格的科學意義上來講,不能說“北極首個臭氧洞已經形成”,迄今為止,在北極還並未出現過臭氧洞。

北極出“洞”並非不可能

“關於南極臭氧洞的成因,目前全世界各國科學家普遍接受的解釋是,南極臭氧洞是由臭氧消耗物質在南極特殊的氣象條件下形成的。”中國氣象局國家衛星氣象中心副研究員王維和介紹說。

南極臭氧洞是大氣動力、光化學和平流層冰晶雲等因素相互作用和影響的產物;也與大氣環流, 特別是平流層極地渦鏇的活動密切相關。用大氣動力學、太陽活動及大氣化學等單個因素都無法圓滿地解釋南極臭氧洞形成的原因。

“南極臭氧洞的出現與人類活動關係密切。春季南極臭氧洞的出現,有兩個條件,二者缺一不可。”陸龍驊表示。

大氣中存在人類活動排放的氟利昂和濱化烴等消耗臭氧層物質(人為因素),是春季南極臭氧洞形成的基礎條件;春季南極平流層極地渦鏇中的低溫( 自然因素),是南極春季臭氧洞形成的必要條件。只有在平流層冰晶雲表面吸附了大氣污染物質,才能通過光化學反應大量消耗臭氧,在南極春季形成臭氧洞。

陸龍驊指出,依據南極臭氧洞形成的兩個條件,可以解釋為什麼到目前為止,只是在南極上空春季出現了臭氧洞,在北極和青藏高原上空並沒有出現臭氧洞。儘管北極更加接近人類活動地區,北極大氣中污染物濃度也比較高,但是北極地區不滿足或者很難滿足形成臭氧洞的平流層極渦中低溫的必要條件。

南極地區是一塊由海洋包圍的冰雪大陸,而北極卻是一片由大陸包圍的冰雪海洋。海陸分布的差異,對氣候和大氣環流產生了很大影響。在陸龍驊看來,北極春季沒有臭氧洞,與北極春季平流層溫度高於南極春季、平流層冰晶雲等很少出現,以及北極地區大氣臭氧的本底值較高有關。

陸龍驊表示,雖然當前北極並未形成真正意義上的臭氧“空洞”,但是在1997年和2011年北極臭氧的化學虧損基本上達到了生成臭氧洞的邊緣,這引起大家的高度重視。如果由於氣候變化,使北極平流層溫度更低,時間持續更長,那么在極端情況下,出現北極臭氧洞的可能性也不能排除。

臭氧層臭氧層

事實上,最近幾年發現,在北極地區或北半球中高緯地區,偶爾也會出現臭氧小洞。這種現象大都出現在冬季,且在北大西洋和北歐出現的次數比北太平洋和北美地區多,此外在我國青藏高原也曾出現過。臭氧小洞與天氣系統有關,是動力原因產生的,“小洞”的空間尺度大都在1000千米以下,維持時間很短,大多僅1到數天。臭氧小洞的產生原因與春季南極臭氧洞不同,而且其時間、空間尺度也無法與春季南極臭氧洞相比,不能相提並論,不能簡單地稱之為臭氧洞。

事記

1987年9月8-16日,中國派代表出席了在加拿大蒙特婁市召開的《保護臭氧層公約關於含氯氟烴議定書全權代表大會》。 1989年3月5-7日,中國在倫敦“臭氧層和氯氟烴類物質的部長級會議”上,闡明了中國對待環境問題的原則立場和保護臭氧層的積極態度,指出已開發國家應承擔臭氧層破壞的主要責任。

1989年9月11日中國簽署加入《關於保護臭氧層的維也納公約》。

1991年6月,中國加入了《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁議定書》倫敦修正案,承諾淘汰CFC及Halon等生產與消費的義務。

1993年1月12日國務院批准《中國逐步淘汰消耗臭氧層物質國家方案》。

1995年5月29日化工部發出《關於加強氯氟烴擴產建設管理的通知》,嚴格控制氯氟烴的擴產建設。

1995年6月12-14日,在西安召開的《中國淘汰消耗臭氧層物質行業戰略國際研討會》上,研討了“中國化工生產行業淘汰ODS戰略”,提出生產和消費行業在保護臭氧層活動中有同等權利得到多邊基金資助的意見。

1997年5月國家環保局與公安部消防局聯合組建第一個行業整體淘汰ODS特別工作組。

1997年11月在多邊基金執委會第23次會議上,執委會批准“中國消防行業哈龍整體淘汰計畫”,總金額6200萬美元。

1997年12月3日,國家環境保護局與公安部聯合發布了《關於實施哈龍滅火劑生產配額許可證管理的通知》,對哈龍生產實施配額許可證管理。

1998年3月國家環保局與國家石化局聯合組建化工行業整體淘汰ODS特別工作組,共同開發CFC生產行業計畫。

1999年3月在多邊基金執委會第27次會議上,“關於中國化工行業整體淘汰CFC計畫”獲得批准。

1999年5月31日,國家環境保護總局與原國家石油和化學工業局聯合發布了《關於實施全氯氟烴產品(CFCs)生產配額許可證管理的通知》,對CFC生產實施配額許可證管理。

在2004年11月召開的第44次執委會上,中國與執委會達成了《關於中國CFCs/CTC/Halon加速淘汰的協定》。

2005年12月31日,最後2家哈龍1211生產線停止生產,標誌著中國已經完成了哈龍1211生產的全部淘汰。

到2007年,哈龍行業計畫通過10年實施,哈龍1211生產裝置已全部拆除,哈龍1301的生產量降低了每年100噸以下。

到2007年7月1日,CFC生產行業計畫通過8年實施,除了保留一條生產線滿足MDI用途外,其他CFC生產全部停止,CFC生產裝置即將全部拆除。

最新成果

研究臭氧層的300多位科學家,在布伊諾斯艾利斯舉行的國際會議上預測,臭氧層大洞大概會在50年內閉合。研究人員說,臭氧層大洞的縮小主要是由於1987年各國開始採取措施限制向大氣中排放氟利昂等化學物質收到了預期效果。

研究人員同時指出,歐洲科學家在北極釋放高空探測氣球對不同高度的雲層進行取樣分析,並發表報告指出,雲層會加速臭氧層中臭氧的消耗、加劇臭氧層的破壞,這是因為雲層中的微粒會激活大氣中的含氟化合物。

科學家發現,雲層中的微粒對氯化物的激活作用要比太陽更為厲害,這些微粒冬天被雲層中的冰晶包裹,但到了春天,冰晶中的水分會被陽光蒸發,從而導致大量微粒出現於雲層中,這是為什麼春天大氣臭氧層的破壞程度最為嚴重的一個原因。

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