浅谈臭氧空洞

浅谈臭氧层空洞分类：数学理化作者：陈玉梅字数：3507来源：化学教学第3期文章编号：1005－6629(2007)03－0042－03中图分类号：P421.33文献标识码：E1紫外线和臭氧层地球上一切生命所须的能量都来自太阳。太阳在普照大地的同时要辐射各种各样的紫外线，其中有：长波紫外线（UVA紫外线A波长380—320nm）中波紫外线（UVB紫外线B波长320—280nm）短波紫外线（UVC紫外线C波长280—200nm）这三种紫外线比较起来，短波紫外线对生物的杀伤力最大，中波和长波紫外线只有很微弱的杀伤力。阳光在射向地球的过程中，对生物有危害的短波紫外线和大部分中波紫外线被臭氧层挡在外面，只剩下危害微小的长波紫外线和小部分中波紫外线到达地面。如果太阳光不受任何阻挡直接照射在地球上，那么地球上的生物会毁灭殆尽。地球周围的大气，按其高度不同，自下而上分为对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。在平流层的下层中，离地面20—35km处，氧吸收太阳紫外线辐射而生成可观量的臭氧：02＋hν→2[0]（[0]表示不稳定的原子氧）[0]+02→02当臭氧的浓度在大气中达最大值时，就形成厚度约为20km的臭氧层。臭氧是地球大气层中的一种蓝色、有刺激性气味的微量气体，总量只占大气的百万分之0.4，如果在摄氏零度的温度下，沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3毫米左右。正是这层薄薄的臭氧层存在，才为地球上万物生灵的生存提供了前提条件。因此臭氧层被誉为生物在地球上得以生存繁衍的“保护伞”。2南极臭氧空洞的发现用从地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法。正常大气中臭氧的柱浓度约为300多布森单位(1个多布森单位是标准状态下千分之一厘米的臭氧层厚度)当臭氧的柱浓度小于200多布森单位，臭氧浓度减少的区域，臭氧极其稀薄，与周围相比好像是形成了一个“洞”，直径达上千公里，“臭氧空洞”因此而得名。第一个发现南极臭氧空洞是两位日本科学家，1982年9月，他俩在南极昭和站观察活动中偶然发现并报道这一现象，但当时很少有人注意到这一件事。之后不久，英国南极站的科学家约瑟·法曼等在哈雷湾站也观察到每年9月(南极的早春[1])南极上空臭氧急剧减少。1985年英国南极探测局公布哈雷湾站1980年初以来在南极春季观察到臭氧层空洞这一消息。这个空洞面积非常大，基本上与美国领土面积相当，于每年9月上旬出现，然后迅速地减少一半左右，并形成一个“臭氧空洞”，持续到11月又逐渐恢复。这一报道引起全世界的震惊，人们担心这是臭氧层破坏或解体的先兆。1986年，美国公布了通过“雨云二号”卫星得到的数据，证实了自1979年到1984年10月在南极上空的确出现了总臭氧含量持续减少的情况，这样显著的变化已经超出了由气候变化引起的变化范围。直到这个时候，南极上空的臭氧空洞才受到全球的关注。3南极臭氧空洞产生的原因臭氧空洞一经发现，立即引起科学界及整个国际社会的震惊。为了查实和弄清楚臭氧空洞形成的原因，美国宇航局(NASA)牵头组织了数十位科学家于1986年和1987年的9～11月，两次赴南极进行臭氧探险活动，寻求揭示臭氧空洞形成的原因。科学家们对南极臭氧洞的出现有三种不同的解释：一种认为，南极臭氧洞的发生是因为对流层的低臭氧浓度的空气传输到达平流层，稀释了平流层臭氧的浓度；第二种解释认为，南极臭氧洞是由于宇宙射线的作用在高空生成氮氧化物的结果；此外，美国科学家莫利纳（Molina）和罗兰德（Rowland）早在1974年就通过英国杂志《自然界》提出氯原子臭氧层损耗机制，认为人工合成的一些含氯和含溴的卤代烷烃类化合物在平流层通过化学变化过程破坏臭氧。越来越多的科学证据否定了前两种观点，而证实破坏臭氧层的元凶有两类物质：氟利昂（全称：二氟二氯甲烷CF2Cl2，国际通称CFCs）和溴氟烷(我国俗称“哈龙”或“卤代烷灭火剂”，国际通称Halon)。氟利昂是美国杜邦公司上世纪30年代开发的一个引为骄傲的产品，有着良好的物理性能和化学性能，被广泛用于制冷剂、溶剂、塑料发泡剂、气溶胶喷雾剂及电子清洗剂等现代生活的各个领域。它在使用中被排放到大气后，其稳定性决定它将长时间滞留于大气中达数十年至100年。哈龙也在消防行业发挥着重要作用。在人类聚集的北半球，由于大量生产和使用CFCs类化合物，并使之进入大气层，大气环流携带着北半球散发的CFCs类化合物，随赤道附近的热空气上升，分流向两极，然后冷却下沉，从低空回流至赤道附近的回归线，形成一个环流。在南极黑暗酷冷的冬季(6～9月)，下沉的空气在南极洲的山地受阻，停止环流，就地旋转，吸入周围的冷空气，形成“极地—风暴旋涡”[2]。这股“旋涡”上升到20km高空的臭氧层后，把南极与低纬度地带空气对流隔绝，使南极变得极冷，开始出现滞留空中的冷云团“冰云”。冰云中的冰晶微粒把气流中带来的CFCs吸收在其表面，并不断积聚其中。当南极的春季来临(9月下旬)，阳光照向冰云，冰晶溶化，释放出吸附的CFCs。由于CFCs是一种含氯的有机化合物，其化学性质稳定，逸入大气层，在低层大气中不分解。上升到平流层后，在短波紫外线UVC的照射下生成氯自由基，氯自由基则可引发破坏O3的循环反应[3]：CF2Cl2→CF2Cl·＋Cl·①Cl·＋O3→ClO·＋O2②ClO·＋[O]→Cl·＋O2③②③两个反应式循环、使臭氧分解。总反应式为：[O3]＋[O]→2O2反应结果是臭氧分子变成了氧气分子，氯原子在其中起了催化剂的作用，每个氯原子能参与破坏10万个臭氧分子的反应！因此形成了南极季节性的臭氧空洞。哈龙是一种含溴的有机化合物，溴原子自由基也是以同样的过程破坏臭氧。4大气臭氧层现状下列表格是根据有关资料整理出，在过去10多年间，南极上空臭氧层空洞覆盖的面积从表中我们可以看到，在2000年9月，南极臭氧层空洞覆盖的面积达2977万平方公里，这是迄今为止观测到臭氧空洞的最大面积。从NASA发布的图片看到，臭氧空洞像一个巨大的蓝水滴，完全罩在南极的上空，并延伸到南美的南端。2002年和2004年，南极臭氧层空洞覆盖的面积较2000年明显缩小。但2003年和2005年的南极臭氧层空洞覆盖的面积仅低于2000年的纪录。2006年10月南极臭氧层空洞正以近10多年来最快的速度扩展,目前空洞面积已经超过2900万平方公里，目前还不知道今年南极臭氧空洞是否会打破2000年的记录。这些迹象表明，目前一些专家有关臭氧层恢复的说法还需要5到10年的观察才能有一个关于臭氧层变化的可靠结论。另外，美、日、英、俄等国家科学家联合观察发现，在北极上空臭氧层已形成面积约为南极臭氧空洞三分之一的北极臭氧空洞。中国大气物理及气象学家观测也发现，在我国青藏高原上空的臭氧正以每十年2.7%的速度减少，已经成为大气中第三个臭氧空洞。5臭氧层破坏带来的危害5.1对人类的影响过量的太阳紫外线辐射对人类健康最直接的危害是：降低人体免疫系统功能，增加传染疾病的发病率；损害眼睛(角膜和晶体)，增加白内障患者的发病率。据报道我国青藏高原白内障的发病率明显升高；靠近南极的澳大利亚皮肤癌患者大量增加。5.2对农作物的影响过量的紫外线照射会破坏植物绿叶中的叶绿素，影响植物的光合作用。同时还会改变细胞的遗传基因和再生能力，使农作物生长受到限制，质量降低，产量大幅度降低。5.3对水生生物的影响水生生物大多贴近水面生长，这些处于水生食物链最底部的小型浮游植物最易受到臭氧损耗的影响，从而危及整个生态系统。对于底层的浮游动物，紫外线辐射具有很强的穿透能力，能穿透水下20米，过量的紫外线杀死水中的微生物、削弱浮游植物的光合作用，破坏水生生物食物链，引起水生生态系统发生变化，降低水体的自然净化能力，导致水生生物大批死亡。5.4对城市环境的影响平流层中臭氧浓度降低紫外辐射增强，会使近地面对流层中的臭氧浓度增加,地表的臭氧对人体和植物有很大的危害，尤其是在人口和机动车量最密集的城市中心，使光化学烟雾污染的机率增加。光化学烟雾是城市污染新问题，它最早发生于美国的洛杉矶。主要是汽车排放的氮氧化物NOX(主要是NO和NO2)，在强烈的太阳紫外线的照射下形成的产物凝集成烟雾，影响空气的可见度，刺激人的眼睛和呼吸器官。NO2→NO+O2①O2+[O]→03②O3+RH(烃)→RCOO(羧酸基)+RCHO(醛)+R2CO(酮)③6保护臭氧层采取的措施1985年，由联合国环境署发起21个国家的政府代表签署了《保护臭氧层维也纳公约》，首次在全球建立了共同控制臭氧层破坏的一系列原则方针。1987年9月，36个国家和10个国际组织的140名代表和观察员在加拿大蒙特利尔集会，通过了大气臭氧层保护的重要历史性文件《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。由于进一步的科学研究显示大气臭氧层损耗的状况更加严峻，1990年通过《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》伦敦修正案，1992年通过了哥本哈根修正案，其中受控物质的种类再次扩充，完全淘汰的日程也一次次提前，缔约国家和地区也在增加。到目前为止，缔约方已达165个之多，反映了世界各国政府对保护臭氧层工作的重视和责任。联合国环境署还规定从1995年起，每年的9月16日为国际保护臭氧层日，以增加世界人民保护臭氧层的意识，提高参与保护臭氧层行动的积极性。我国政府和科学家们非常关心保护大气臭氧层这一全球性的重大环境问题。我国早于1989年就加入了《保护臭氧层维也纳公约》，先后积极派团参与了历次的《保护臭氧层维也纳公约》和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》缔约国会议，并于1991年加入了修正后的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。我国还成立了保护臭氧层领导小组，开始编制并完成了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》。根据这一方案，我国已于1999年7月1日冻结了氟利昂的生产。并将于2010年前全部停止生产和使用所有消耗臭氧层物质。即使我们如此努力地弥补地球上空的“臭氧洞”，但由于臭氧层损耗物质从大气中除去十分困难．预计采用哥本哈根修正案，也要在2050年左右平流层氯原子浓度才能下降到临界水平以下，到那时，我们上空的“臭氧洞”可望开始恢复。臭氧层保护是近代史上一个全球合作十分典型的范例，这种合作机制将成为人类的财富，并为解决其它重大问题提供借鉴和经验。参考文献：[1]高俊昌，周盈科.地理[M].人民教育出版社.2005:17～23.[2]马岳民，曾昭琼.有机化学(上册)[M].北京:高等教育出版社.1988:40～41.[3]曹凤中.臭氧层空洞报告[M].北京:中国环境科学出版社.1990:45～80.