臭氧空洞

臭氧空洞

臭氧空洞是地球大氣上空平流層(臭氧層)的臭氧從1970年代開始,每年遞減的一種現象。在兩極地區的部份季節,遞減速度還超過每十年4%,而在春季時連對流層的臭氧也在減少,形成所謂臭氧空洞。臭氧消耗的主要原因是氯化物和溴化物對臭氧分解的催化作用引起的,這些鹵素主要來源於地面釋放的氟氯烴(CFC),商品名稱為氟里昂。

基本信息

簡介

臭氧空洞臭氧空洞

臭氧空洞指的是因空氣污染物質,特別是氧化氮和鹵化代烴等氣溶膠污染物的擴散、侵蝕而造成大氣臭氧層被破壞和減少的現象。1984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%,極地上空的中心地帶有近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”,“臭氧洞”由此而得名。

臭氧層的臭氧濃度減少,使得太陽對地球表面的紫外輻射量增加,對生態環境產生破壞作用,影響人類和其他生物有機體的正常生存。

臭氧層作用

臭氧層阻擋紫外線臭氧層讓地球上的生物免遭短波紫外線的傷害

對生命的保護

大氣中的臭氧吸收了大部分對生命有破壞作用的太陽紫外線,對地球生命形成了天然的保護作用。太陽紫外線中波長小於290納米的部分被平流層臭氧分子全部吸收,但波長為290-320納米,也就是通常所說的UV-B波段的紫外線也有90%被臭氧分子吸收,從而大大減弱了它到達地面的強度。如果平流層臭氧的含量減少,則地面受到的UV-B段紫外輻射的強度將會增加。可以毫不夸在地說,地球上的一切生命就像離不開水和氧氣一樣離不開大氣臭氧層,大氣臭氧是地球上一切生靈的保護傘。

對氣候的影響

臭氧是引起氣候變化的主要因子,同時又是重要的氧化劑,在大氣光化學過程中起著重要作用。臭氧吸收了太陽光中的大部分的紫外線並將其轉換為熱能從而加熱大氣,也能吸收9-10微米的熱紅外線,使大氣層加熱。

正式由於臭氧的這一特性,使得地球上空15~50公里的大氣層中存在著升溫層(逆溫層),因此,臭氧對平流層的溫度結構和大氣運動起決定性的作用,而大氣的溫度結構對於大氣的循環具有重要的影響,臭氧濃度的變化不僅影響到平流層大氣的溫度和運動,也影響了全球的熱平衡和全球的氣候變化。

形成原因

臭氧形成和破壞機理圖臭氧形成和破壞機理圖

對於臭氧空洞形成的原因,當前有三個學說:化學學說、動力學說和太陽活動學說。

化學學說

從化學學說的角度來講,由於人類活動大量生產和使用氟利昂,並使之進入大氣層中,大氣環流攜帶著人類活動所排放的氟利昂,隨赤道附近的熱空氣上升,分流向兩極。由於氟利昂是一種含氯的有機化合物,當它受到短波紫外線的照射,會發生一系列的化學反應,反應過程中消耗掉一部分臭氧。人為消耗臭氧層的物質主要是:廣泛用於冰櫃和空調製冷、泡沫塑膠發泡、電子器件清洗的氯氟烷烴(CFxCl4-x,又稱Freon),以及用於特殊場合滅火的溴氟烷烴(CFXBr4-x,又稱Halons哈龍)等化學物質。

消耗臭氧層的物質,在大氣的對流層中是非常穩定的,可以停留很長時間,如CF2C12在對流層中壽命長達120年左右。因此,這類物質可以擴散到大氣的各個部位,但是到了平流層後,就會在太陽的紫外輻射下發生光化反應,釋放出活性很強的離子(Cl)或離子,參與導致臭氧損耗的一系列化學反應:
CFxCly→CFxCly-1+Cl
Cl+O3 →ClO+O2 
O2 →2O
ClO+O→Cl+O2

Cl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能夠消耗10萬個O3 。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。因此,形成臭氧空洞。

動力學說

臭氧被破壞的過程臭氧被破壞的過程

另一種解釋是從動力角度進行的。這種觀點認為,在南極極夜期間,因中低緯向南極的熱量輸送效率很低,控制南極上空的極地“鏇渦”內部,形成了異常低溫環境,光照少,氧分子合成臭氧的光化學作用就會減弱。當極夜結束,春季來臨(9月始),太陽重新越出地平線時,由於集中於平流層中下層的臭氧對太陽輻射的吸收,這一範圍的大氣被加熱,於是該層出現了上升運動。這一上升運動引起的抽吸作用,將對流層臭氧含量低的氣體帶入了平流層,替代了原來平流層臭氧含量高的氣體。這種“抽吸作用”直到11月份才逐漸減弱,此時南極上空臭氧濃度逐漸上升。可見,由於南極春季的這種“抽吸作用”,導致了南極春季臭氧空洞的形成。

太陽活動說

南極地區10月份臭氧平均濃度變化(20世紀60年代~20世紀末)南極地區10月份臭氧平均濃度變化(20世紀60年代~20世紀末)

還有的科學家認為,南極臭氧空洞是太陽活動的結果。他們根據研究發現,臭氧的總量跟太陽黑子的活動有明顯的關係,而極地作為地球磁極又是太陽活動反應最敏感的地區,比如極光等都是出現在極地,隨著紫外線輻射和高能帶電粒子流的增加,使大氣中氮氧化合物的含量增加,通過光化學反應,破壞了極地上空的臭氧層。
以上幾種理論均有一定的說服力和自身的特點,各自也得到許多科學家的支持,但是目前我們還不能完全肯定某一種而否定另一種。

其他原因

近年來的研究發現,核爆炸、航空器發射、超音速飛機將大量的氮氧化物注入平流層中,也會使臭氧濃度下降。

NO對臭氧層破壞作用的機理為:
O3 +NO→O2 +NO2 ,
O+NO2 →O2 +NO,
總反應式為:O+O3 →2O2 。

破壞趨勢

北極上空首現臭氧空洞2011年春季北極上空首現臭氧空洞

根據全球總臭氧觀測的結果表明,每到春季南北極上空平流層的臭氧都會發生急劇的大規模耗損。

南極臭氧空洞惡化

1987年10月,南極上空的臭氧濃度下降到了1957-1978年間的一半,臭氧洞面積則擴大到足以覆蓋整個歐洲大陸。從那以後,臭氧濃度下降的速度還在加快,有時甚至減少到只剩30%,臭氧洞的面積也在不斷擴大。

1994年10月觀測到臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。1995年觀測到的臭氧洞的天數是77天,到1996年幾乎南極平流層的臭氧全部被破壞,臭氧洞發生天數增加到80天。1997年,科學家進一步觀測到臭氧洞發生的時間也在提前,1998年臭氧洞的持續時間超過100天,是南極臭氧洞發現以來的最長記錄,而且臭氧洞的面積比1997年增大約15%,幾乎可以相當三個澳大利亞的面積。這一跡象表明,南極臭氧空洞的損耗狀況正在惡化之中。

2011年11月,日本氣象廳發布的訊息稱,2011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。日本氣象廳利用美國航天局的衛星觀測數據,發現9月2日南極上空臭氧層空洞的面積達到今年截至目前的最大值2550萬平方公里,是南極洲面積的約1.8倍。雖然這個數值低於2000年2960萬平方公里的歷史最高紀錄,卻大幅超過2010年南極上空的臭氧層空洞面積2190萬平方公里,2010年的這一數值在上世紀90年代以來的觀測值中位列倒數第三。

北極首現臭氧空洞

1980年~1991年南極10月份南極平均臭氧濃度分布1980年~1991年南極10月份南極平均臭氧濃度分布

2011年10月,多國研究人員共同完成並發表在《自然》雜誌網站上的報告稱,對2011年春天北極上空臭氧觀測數據的分析顯示,確認北極首次出現了類似南極上空的臭氧空洞,在18到20公里的高空臭氧減少的幅度超過了80%,可謂史無前例。面積最大時相當於5個德國或美國加利福尼亞州。
青藏高原臭氧總量減少

90年代初,中國北京、昆明、黑龍江、浙江、青海等地臭氧觀測結果表明,當地的臭氧總量不斷減少。同時青藏高原6至9月形成了大氣臭氧低值中心。拉薩地區上空臭氧總量比同緯度地區低11%,且1979年至1991年間臭氧總量平均年遞減率達0.35%。國際保護臭氧層專家警告:如果任其發展下去,世界屋脊的上空將繼南北兩極之後,出現世界第三個臭氧層空洞。

社會影響

臭氧層中的臭氧能吸收200~300nm的陽光紫外線輻射,因此臭氧空洞可使陽光中紫外輻射到地球表面的量大大增加,從而產生一系列嚴重的危害。

陽光紫外線輻射能量很高的部分稱EUV,在平流層以上就被大氣中的原子和分子所吸收,從EUV到波長等於290nm之間的稱為UV-C段,能被臭氧層中的臭氧分子全部吸收,波長等於290~320nm的輻射段稱為紫外線B段(即B類紫外線,UV-B),也有90%能被臭氧分子吸收,從而可以大大減弱到達地面的強度。如果臭氧層的臭氧含量減少,則地面受到紫外線B的輻射量增大。

健康影響

B類紫外線灼傷稱為B類灼傷,這是紫外線最明顯的影響之一,學名為紅斑病。UV-B也能損耗皮膚細胞中遺傳物質,導致皮膚癌。UV-B的增加還可對眼睛造成損壞,導致白內障發病率增加。UV-B也會抑制人類和動物的免疫力,降低對一些疾病包括癌症、過敏症和一些傳染病的抵抗力。發育停滯等疾病也會隨著紫外線輻射量的增大而發病率。

生態影響

UV-B的增加,會對自然生態系統和作物造成直接或間接的影響。例如UV-B對20米深度以內的海洋生物造成危害,會使浮游生物、幼魚、幼蟹、蝦和貝類大量死亡,會造成某些生物減少或滅絕,由於海洋中的任何生物都是海洋食物鏈中重要的組成部分,因此某些種類的減少或滅絕,會引起海洋生態系統的破壞。B類輻射的增加也會損害浮游植物,由於浮游植物可吸收大量二氧化碳,其產量減少,使得大氣中存留更多的二氧化碳,使溫室效應加劇。

工業影響

UV-B還將引起用於建築物、繪畫、包裝的聚合材料的老化,使其變硬變脆,縮短使用壽命等等。另外,臭氧層臭氧濃度降低紫外輻射增強,反而會使近地面對流層中的臭氧濃度增加,尤其是在人口和機動車量最密集的城市中心,使光化學煙霧污染的機率增加,使橡膠、塑膠等有機材料加速老化,使油漆褪色等。

對策

1976年,美國國家科學院的報告肯定了對臭氧層被CFC破壞的假設,美國加拿大北歐等國開始限制在噴霧設施中使用CFC作為分散劑。1978年,美國禁止使用CFC分散劑,但歐盟不同意,美國也仍然在冰櫃製冷和乾洗領域繼續使用CFC,不過全世界的CFC生產總量有所下降,到1986年回落到1976年的水平。1985年20國簽定了保護臭氧層維也納公約,1987年,43個國家簽定了蒙特婁議定書,生產廠家也開始轉產,因為“專利權再也不保護他們了,但同時也為他們提供了一個機遇,去尋找新的、更能贏利的替代產品。”1993年,杜邦公司關閉了他們的CFC生產廠。

蒙特婁議定書的簽約國家約定從1993年開始,逐漸停止使用CFC作為製冷劑,到1999年要在1986年的水平上削減50%的使用量。在1990年的倫敦會議上,決定已開發國家到2000年,開發中國家到2010年,除了只有少量套用在治療哮喘時作為吸入劑外,全面禁止使用CFC和滅火劑哈隆。1992年在哥本哈根會議上,全面禁止的日期提前到1996年,同時將禁止產品增加了甲基溴,一種農業上套用的熏蒸劑,已開發國家應該向開發中國家提供專家、技術和資金的援助。但作為例外的少量允許使用的產品仍然受到批評。

氟利昂可以被含氫氟氯烴(HCFC)或氫氟烴(HFC)所取代,這些產品雖然也會產生溫室氣體,但不會破壞臭氧層,此外還有多種可替代產品。

政策

在現代經濟中,氟里昂等物質套用非常廣泛,要全面淘汰,必須首先找到氟里昂等的替代物質和替代技術。在特殊情況下需要使用,也應努力回收,儘可能重新利用。世界上一些氟里昂的主要生產廠家參與開發研究了替代氟里昂的含氟替代物(含氫氯氟烴HCFC和含氫氟烷烴HCF等)及其合成方法,有可能用作發泡劑、製冷劑和清洗溶劑等,但這類替代物也損害臭氧層或產生溫室效應。同時,也在開發研究非氟里昂類型的替代物質和方法,如水清洗技術、氨製冷技術等。
為了推動氟里昂替代物質和技術的開發和使用,逐步淘汰消耗臭氧層物質,許多國家採取了一系列政策措施。一類是傳統的環境管制措施,如禁用、限制、配額和技術標準,井對違反規定實施嚴厲處罰,歐盟國家和一些經濟轉軌國家廣泛採用了這類措施。一類是經濟手段,如徵收稅費、資助替代物質和技術開發等。美國對生產和使用消耗臭氧層物質實行了徵稅和可交易許可證等措施。另外,許多國家的政府、企業和民間團體還發起了自願行動,採用各種環境標誌,鼓勵生產者和消費者生產和使用不帶有消耗臭氧層物質的材料和產品,其中綠色冰櫃標誌得到了非常廣泛的套用。
為了實施議定書的規定,1990年6月在倫敦召開的議定書締約國第二次會議上,決定設立多邊基金,對開發中國家淘汰有關物質提供資金援助和技術支持。1991年建立了臨時多邊基金,1994州年轉為正式多邊基金。到1995年底,多邊基金共集資4.5億美元,在開發中國家共安排了1100多個項目。
到1995年,經濟已開發國家已經停止使用大部分受控物質,但經濟轉軌國家沒有按議定書要求削減受控物質的使用量。開發中國家按規定到2010年停止使用,受控物質使用量仍處於增長階段。中國由於經濟持續高速增長,家用電器、泡沫塑膠、日用化學品、汽車、消防器材等產品都大幅度增長,受控物質使用量比1986年增長了一倍以上,成為世界上使用受控物質最多的國家之一。
從各項國際環境條約執行情況而言,這項議定書執行的是最好的。向大氣層排放的消耗臭氧屋物質已經逐年減少,從1994年起,對流層中消耗臭氧層物質濃度開始下降。預計到2000年,平流層中消耗臭氧層物質的濃度將達到最大限度,然後開始下降。但是,由於氟利昂相當穩定,可以存在50至100年,即使議定書完全得到履行,臭氧層的耗損也只能在2050年以後才有可能完全復原。另據1998年6月世界氣象組織發表的研究報告和聯合國環境規劃署作出的預測,大約再過20年,人類才能看到臭氧層恢復的最初跡象,只有到21世紀中期臭氧層濃度才能達到本世紀60年代的水平。

北極上空

北極上空出現臭氧空洞,
這個臭氧空洞主要因北極地區罕見長時間寒冬而形成
。北極地區15公里至23公里的高空臭氧嚴重減少,最大幅度減少發生在18公里至20公里的位置,減少幅度超過80%。研究人員連續27天觀測到極低的總柱狀臭氧值。“低於250多布森單位的最大區域大約200萬平方公里,大概5倍於德國或加州。”
尚不清楚這個臭氧空洞是否已對人體健康構成任何風險。
研究人員認為,北極首次出現臭氧空洞由極地渦鏇引發,但不是因為更冷,而是因為冷的時間更長,致使能夠破壞臭氧的含氯化合物更活躍,以至於觀測到比往年冬天厲害得多的臭氧減少。

環境污染相關知識

環境污染,指自然的或人為的向環境中添加某種物質而超過環境的自淨能力而產生危害的行為。主要對環境自然生態系統和人的健康產生危害,即使當時不造成危害,但後續效應有害也算是污染行為。一般污染被分為空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、土壤污染和放射性污染。現在污染的範圍越來越大,有船舶污染、光污染、噪音污染、熱污染和過度消費等各種新興污染開始被人們關注。
空氣污染 酸雨|鹼雨|北極霾|大氣擴散模式|全球黯化|蚱蜢跳效應|全球變暖|臭氧空洞|氯氟碳化合物|懸浮粒子||氣溶膠
水污染 富營養化|海洋廢棄物|油外泄|熱污染|城市徑流|水質|死水|生活污水
土地污染 生物修復|植物修復|除草劑|農藥|重金屬|肥害
放射性污染 裂變產物|放射性落下灰|急性輻射綜合症
其他污染 熱島現象|光害|噪音污染|基因污染|工業污染|船舶污染
污染控制技術 環境監測|資源回收|垃圾分類|污染物排放控制技術|環境污染控制|活性污泥法|SBR污水處理工藝|生物膜法|厭氧法|上流式厭氧污泥床|污水處理|鏇風分離|工業發酵|堆填|垃圾焚燒|固體廢棄物的處理與處置|水污染控制
對生物的影響 生物放大作用|生物累積性|生物濃縮性
污染事故 台塑仁武廠污染事件|湖南省兒童鉛中毒案|日本四大公害病|愛克森瓦拉茲海難|阿瑪斯號貨輪油污事件|林園事件|2010年墨西哥灣漏油事故|2010年大連新港輸油管道爆炸|2011年中海油渤海灣漏油事故
國際公約 巴塞爾公約|《蒙特婁議定書》|京都議定書|斯德哥爾摩公約|防止船舶污染國際公約
環保組織 中華人民共和國環境保護部|香港環境保護署|綠色和平|綠黨|美國環境保護局|歐洲環境署|日本環境省

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