认识臭氧层危机

认识臭氧层危机虽然臭氧洞出现得地方是在遥远的南极，但其实世界各地大气中的臭氧都已日渐稀薄。从皮肤癌到汽车冷媒，臭氧洞不再只是科学家的研究对象，或是报纸上的新闻事件，而是与每个人都有切身关系的环保课题！引言：一、大气臭氧量少作用大1.大气的组成我们所居住的地球周围。环绕着一层大气。这层大气的主要成分是氮和氧，约占99%以上。此外，还有少量的氩、二氧化碳、水汽和臭氧(O3)等等。虽然大气中二氧化碳、水汽和臭氧含量很少，但对整个地球气候的变化却影响很大。2.大气的分层包围地球的大气，其特性会随高度不同而有许多变化，科学家便依照气温梯度，来划分大气的垂直结构。最接近地表的是「对流层」，其次为「平流层」、「中气层」和「热气层」。热气层是大气的最外圈，大气愈向外愈稀薄，并没有一条明显的界限。由于大气是受地球重力吸引而环绕在地球四周，因此离地表越近，空气密度越高，大约90%的空气都聚集在离地表30公里的范围之内；到了离地100公里处，大气密度已不及海平面的百万分之一，故若与地球半径约6370公里相比，大气的确只有薄薄一层而已。3.臭氧层及其作用平流层的位置大约在离地10~50公里处，但大气中的臭氧绝大部分都集中在离地面大约25~30公里的上平流层中，称为「臭氧层」。名虽为一层，但实际上臭氧分布各地并不均匀，而且大气中臭氧的总含量非常少，尚不到1ppm。这极薄的一层臭氧，对于地球上的生命非常常重要，因为臭氧能吸收阳光中的紫外线，将这些波长很短，而且有致命危险的辐射线，转换成热能，只有极少量能到达地表。紫外线会破坏包括DNA在内的生物分子，增加罹患皮肤癌、白内障的机率，而且和许多免疫系统疾病有关。此外，紫外线对于农作物，甚至海洋生态系都会造成负面影响。然而这层重要的臭氧已经受到严重破坏，而且情形一年比一年恶化。二、全球臭氧普遍减少科学家大约在10年前，就已实际观测到臭气层的「破洞」。公元1985年，英国南极观测站(BritishAntarcticSurvey)的科学家法曼(JosephC.Farman)等人发现，从1977~1984年，南极郝利湾(HalleyBay)上空，春季时的大气臭氧含量大约减少了40%以上。其它研究团体也迅速证实了这项发现，并指出臭氧量急遽减少的这块区域，其面积甚至大于南极大陆，高度则是介于12~24公里之间的平流层。这就是所谓的「臭氧洞」(ozonehole)。臭气洞其实并不是真正有个「洞」，而只是表示臭氧含量反常稀少的区域。虽然科学已经知道CFCs(chloroflurocaaarbons，氟氯碳化物)是造成臭氧洞的主要原因，但是由于南极地区特殊的气候型态，使科学家相信，南极臭氧洞应是平流层化学反应与大气环流变化等多种因素交互作用下的结果。然而，不仅是南极，北极上空平流层的臭氧，也发现有在冬季减少，形成类似臭氧洞的现象。尤有甚者，根据世界各地地面站和人造卫星的观测结果，长期以来，全球除热带地区之外的大部分区域，平流层臭氧都有稀薄化的倾向。三、南极臭氧连创新低长期以来的观测纪录显示，从1991年开始，南极上的臭氧含量每年都创下新的最低纪录。1991年9月30日为162D.U.，11月8日为191D.U.，每个月都是历年来的最低值。D.U.(DobsonUnit)是代表大气单位面积中臭氧含量的单位，以matm-cm(milliatm-centimeter)表示。在o℃，1大气压标准状态下，1D.U.相当于百分之一厘米。四、罪魁祸首CFCs两位加州大学尔汶分校(U.C.Irvine)的化学家─莫里纳(MarioJ.Molina)和罗兰德(F.SherwoodRowland)，杂志上的一篇文章。他们两人在文章中明白指出：完全由人工合成的「氟氯碳化物」(CFCs)，由于工业上应用范围广泛，所以在过去的50年间，排放在大气中的量已经相当可观，而且它非常安定，生命期长达40~150年，因此会在大气中不断累积，最后将上升至平流层，在这里因受紫外线照射而分解产生氯原子，活泼的氯原子会与臭氧反应，使臭氧分解消失。莫里纳和罗兰德并强调，平流层所能接纳的氯相当有限，而且即使大幅降低CFCs的使用量，大气也需要一段相当长的时间才能减缓臭氧的分解。CFCs对臭氧的威胁，很快就引起大众传播媒体的重视。先是《纽约时报》，再是《时代》杂志，都对CFCs破坏臭氧层的消息做大篇幅的报导。原本是工业宠儿的CFCs，现在已成为恶昭彰的臭氧杀手。五、CFCs性质稳定不易分解氟氯碳化物(CFCs)，顾名思义，即是含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的化合物。CFCs的应用范围极为广泛，可作为汽和冰箱等冷冻空调的冷媒、电子和光学组件的清洗溶剂、化妆品等喷雾剂，以及PU、PS、PE的发泡剂等等。从1930年代合成初期开始，CFCs在全球各工业国家的使用量便不断增加，主要因为CFCs的化学性质非常安定，不可燃且无毒性，故过去一直被认为安全又理想的化学物质，厂商大量制造，使用者也任其扩散至大气中。五、CFCs性质稳定不易分解由于世界各主要工业国家多位北半球，因此北半球大气中CFCs的平均浓度较南半球为高。CFCs逸出后会在大气中迅速扩散，但南北两半球的大气，要穿越赤道完全混合，需时约2年。北半球大气中CFCs的平均年增率为4~5%，而南半球CFCs的平均浓度则较北半球约低8~10%，故南半球的CFCs大约也刚好是以落后北半球2年的时间，而以相同的速率在增加中。积存在对流层的大量CFCs，会随着大气运动进入对流层。对流层的最上部是「对流层顶」(Tropopause)，对流层顶的高度各地并不相同，会因季节和纬度而异，以在赤道附近最高，约达18公里；在高纬度而异，以在赤道附近最高，约达18公里；在高纬度的两极，则只有约8公里，而且夏季比冬季时略高。由于各地对流层高度不同，在纬度30度左右的副热带地区，会产生不连续的现象，「对流层顶缺口」。在这个缺口处，上下层空气混合非常强烈，CFCs等物质便因而趁隙进入平流层。五、CFCs性质稳定不易分解六、平流层中的臭氧反应CFCs所以会对臭气层造成如此严重的伤害，主要关键就在其所含的「氯」(Cl)。科学家估计，由CFCs所释出的1个氯原子，只要数个月的时间，就能使大约10万个臭氧分子消失。在正常状况下，平流层中的臭氧分子，是处于一种动态平衡的状态。高层大气中的氧分子(O2)吸收紫外线，分解成活泼的氧原子(O)：O2+hv→O+O氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧：O+O2→O3臭氧也会因受强烈紫外线照射而分解，生成氧原子和氧分，或是与活泼的氧原子作用形成氧分子：O3+hv→O2+OO3+O→O2+O2臭氧就在这些反应中不断生成与分解，维持着微妙但脆弱的平衡。氯则会破坏这种平衡。CFCs在平流层受强烈紫外线照射而分解产生氯，氯会与臭氧反应，生成氧化氯自由基(ClO)：Cl+O3→ClO+O2带有自由基的ClO非常活泼，若与同样活泼的氧原子反应，便生成氯和较安定的氧分子：ClO+O→Cl+O2而这个被释出的氯，又可以再与臭氧反应，因此氯一方面能够不断消耗臭氧，另一方面却又能在反应中再生。但过去有些研究认为CFCs对臭氧的破坏有限，那是因为氯和ClO也会和大气中的其它成分作用，而生成不会破坏臭氧的化合物。其中氯会与甲烷(CH4)作用生成氢氯酸(HCl)，ClO则会与二氧化氮(NO2)作用，生成硝酸氯(ClONO2)。HCl和ClONO2被称为「氯贮存物质」(chlorinereservoirs)，因为它们本身不会与臭氧反应，但在某些状况下却可以释出能破坏臭氧的氯。七、臭氧减少使UV-B大增平流层臭氧会吸收紫外线(ultraviolet,UV)，倘若臭氧减少，紫外线的照射强度自然会增强。在电磁波谱中，波长在200~300mm(毫微米，1nm=10-9m)之间的属于「近紫外线」，波长在10~200mm之间的属于「远紫外线」。近紫外线可分为A、B、C三种，其中以波长在280~315mm的「紫外线B」(UV-B)对生物危害最大。UV-B的强度，会随着时间、地点不同而异。通常夏季较冬季强，低纬度比高纬度地区强，而高海拔则比低海拔地区强。但无论如何，大气中臭氧减少，全球各地的UV-B都会增强。据估计，臭氧若减少1%，UV-B大约就会增加2%；而在出现臭氧洞的南极地区，臭氧大量减少的结果，已使紫外线量加倍增加。紫外线增加对人类健康所造成的危害，以皮肤癌最为人熟知，而且为害最广。皮肤癌的罹患率与人种和纬度有关，例如同为10万人口的地区，美国德州就有100人以上罹患皮肤癌，瑞典为5~20人，而日本只有5人以下。换言之，一般以白种人的罹患率最高，居住地区则愈近赤道罹患率愈高。根据联合国相关组织的统计资料显示：大气总臭氧量若减少10%，皮肤癌的罹患率将增加26%，且每年全世界将新增加30万名以上的皮肤癌患者。紫外线能导致白内障眼晴在强烈紫外线照射下，会使透明的角膜混浊，引起角膜炎，或是造成结膜充血的结膜炎，最严重的则是白内障。白内障的病因是水晶体发生混浊，使视力逐渐衰退，虽然不会产生疼痛，但严重时仍有失明之虞。经动物实验证明，不仅强烈紫外线照射会引起白内障，即便是普通强度的紫外线，若是一再反复照射，亦会渐渐发生白内障。据估计，大气总臭氧量若减少10%，全世界将产生160~175万名新白内障患者。除此之外，紫外线还会破坏免疫系统，减弱人体对病毒和病原既然紫外线会影响人体健康，自然也会影响其它生物。紫外线之所以会损害皮肤、眼晴及免疫系统，是因为紫外线能破坏人体内的蛋白质和核酸，由于核酸和蛋白质是所有生物细胞组成不可或缺的要素，因此紫外线的增加，对整个地球生态系都会有严重影响。紫外线破坏地球生态由加州大学圣塔芭芭拉分校的海洋生物学家裴泽林(BarbaraPrezelin)，以及地理学家史密斯(RaymondSmith)所率领的一组研究人员，曾以6星期的时间，在南极半岛外的百令豪生海(BellingshausenSea)进行追踪调查，以评估臭氧洞对该海域生态的影响。他们发现，由于臭氧洞有季节性消长的现象，因此穿透大气照射到海面的UV-B，也会随之而有强弱变化。影响所及，在臭氧洞涵盖范围之内海域生活的浮游植物(phytoplankton)，光合作用速率将降低约6~12%。由于浮游植物生长趋缓，将造成食物链中断的危机。此外，光合速率降低亦表示二气化碳吸收量会减少，使地球温室效应恶化。美国马里兰大学曾经针对200种农作物进行研究，在温室内观察紫外线照射的影响，结果发现约有三分之二的种类，会有生长迟缓的反应。同时，该校的科学家也曾在大豆田中安装紫外线灯，以连续6年的时间追踪观察，结果发现UV-B会使大豆的成长迟滞，因而减少收获量。其它研究机构的实验也证实，西红柿、玉米、莴苣、豌豆、棉花等作物，在紫外线的照射下，都会产生类似生长迟缓的现象。由于紫外线会改变植物体内的化学变化，因此不仅农作物的生长受到影响，与植物关系密切的昆虫和草食动物都将遭到波及。甚至森林中枯枝枯叶形成的腐殖质，成分都会有所改变。臭氧洞如此牵一发而动全身的影响，势将危及整个地球生态环境的平衡。八、保护臭氧层为全球共识由于国际社会体认到CFCs等「臭氧层破坏物质」(ODSs,ozone-depletingsubstances)，已对臭氧层造成严重破坏，以及臭氧层对地球生态环境的重要性，「联合国环境规划署」(UNEP,theUnitedNationsEnvironmentProgramme)遂于1985年召集世界各国共商对策，签订保护臭氧层的「维也纳协议」(theViennaConvention)，但「维也纳协议」并不具强制性。在这个基础上，1987年9月，共有27个国家签署极具象征与实质意义的「蒙特利尔议定书」(theMontrealProtocol)。「蒙特利尔议定书」强制规定缔约国，至1990年时，CFCs的使用量必须降至1986年使用量的50%。之后，「蒙特利尔议定书」的管制措施便不断修订，管制范围扩大，削灭时程缩短，同时缔约国的数目也不断增加。1992年11月23~25日，于丹麦哥本哈根举行的蒙