臭氧空洞成因、发展及危害

臭氧空洞成因、发展及危害 杨明生 4346字 （安徽省六安市霍邱县第二中学237400） 本文通俗地阐述了关系到地球生物生存的大气臭氧层的作 用、臭氧空洞的成因、臭氧层现状及发展、臭氧空洞的危害及国际 上保护臭氧层的态度及措施。 臭氧作用 臭氧空洞 现状 危害 保护措施 1984年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：在 过去 10 — 15 年间，每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，极地上空的中心地带有近 95% 的臭氧被破坏。从地面上观测， 高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比像是形成一个“洞”， “臭氧洞”由此而得名，这是人类历史上第一次发现臭氧空洞，当时观察此 洞覆盖面积只有美国的国土面积那么大。臭氧空洞越来越大，危害 越来越严重，已经逐渐引起了全社会的重视。那么，地球大气中臭 氧层的作用是什么，现状如何，臭氧空洞是如何形成的，对人类及 地球有何危害呢，有没有补救的措施？现简单介绍如下。 臭氧层中的臭氧是在离地面较高的大气层中自然形成的，其形 成机理是： O ＋hv?O＋O (高层大气中的氧气受波长短于242nm的紫外线2 照射变成游离的氧原子)； O＋O =O （有些游离的氧原子又与氧气结合就生成了臭氧，大23 气中 90%的臭氧是以这种方式形成的）； O是不稳定分子，来自太阳的短于1140nm射线照射又使O分解，33 产生O分子和游离O原子，因此大气中臭氧的浓度取决于其生成与2 分解速度的动态平衡。 太阳是一个巨大的热体，面温度高达6000?，是地球取之不尽的能量来源。但太阳辐射的紫外光中有一部分能量极高，如果到 达地球表面，就可能对地球生物的生存造成无法挽回的影响然而， 自然的力量改变了这一过程，地球的大气层就像一个过滤器，一把 保护伞，将太阳辐射中的有害部分阻挡在大气层之外，使地球成为 1 人类可爱的家园。而完成这一工作的，就是今天已经妇孺皆知的“臭 氧层”。 臭氧是地球大气层中的一种蓝色、有刺激性的微量气体，是平 流层大气的最关键组成组分。大气中90%的臭氧集中在距地球表面 10 — 50Km的高度范围内，分布厚度约为10～15Km，其平均密度约 -8-1为9×10g.L。尽管臭氧层在地球表面并不太厚，臭氧在大气层中 只占百万分之几，若在气温0? 时，将地表大气中的臭氧全部压缩 到一个标准大气压时，臭氧层的总厚度才不过 3 mm，总质量不过30亿t左右。就是这样的一个臭氧层，却吸收了来自太阳99％的高强度紫外辐射，保护了人类和生物免遭紫外辐射的伤害。可以毫不 夸在地说，地球上的一切生命就像离不开水和氧气一样离不开大气 臭氧层，大气臭氧是地球上一切生灵的保护伞。 美国国家宇航局（NASA）的科学家前不久宣布，到2000年10月，南极上空臭氧洞的面积大约为2900万平方英里，这是迄今为止 观测到臭氧空洞的最大面积。从NASA发布的图片上可以看到，臭氧 洞像一个大的蓝水滴，完全罩在南极的上空，并延伸到南美的南端。 臭氧空洞增大的速度是惊人的，特别是近年来南极上空的臭氧 空洞有恶化的趋势。根据全球总臭氧观测的结果表明，在过去10-15年间，每到春天南极上空平流层的臭氧都会发生急剧的大规模耗损。 臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积、深度及延 续时间。1987年10月，南极上空的臭氧浓度下降到了1957-1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。从那以 后，臭氧浓度下降的速度还在加快，有时甚至减少到只剩30%，臭氧洞的面积也在不断扩大。1994年10月观测到臭氧洞曾一度蔓延 到了南美洲最南端的上空。近年臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩 展，1995年观测到的臭氧洞的天数是77天，到1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏，臭氧洞发生天数增加到80天。1997年至今，科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前，1998年臭氧洞的持续时间超过100天，是南极臭氧洞发现以来的最长记录，而 且臭氧洞的面积比1997年增大约15%，几乎可以相当三个澳大利亚 2 的面积。这一迹象表明，南极臭氧洞的损耗状况正在恶化之中。 目前，不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少的现象，美、 日、英、俄等国家联合观测发现，北极上空臭氧层也减少了 20%，已形成了面积约为南极臭氧空洞三分之一的北极臭氧空洞。在被称 为是世界上“第三极”的青藏高原，中国大气物理及气象学者的观测 也发现，青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度减少，已经成为大气层中的第三个臭氧空洞。 3 臭氧层损耗是臭氧空洞的真正成因，那么，臭氧层是如何耗损 的呢？人类活动排入大气中的一些物质进入平流层与那里的臭氧发 生化学反应，就会导致臭氧耗损，使臭氧浓度减少。 人为消耗臭氧层的物质主要是：广泛用于冰箱和空调制冷、泡 沫塑料发泡、电子器件清洗的氯氟烷烃（CF Cl，又称Freon），x4-x 以及用于特殊场合灭火的溴氟烷烃（CFBr，又称Halons哈龙）等X4-x 化学物质。 消耗臭氧层的物质，在大气的对流层中是非常稳定的，可以停 留很长时间，如CFC1在对流层中寿命长达120年左右。因此，这22 类物质可以扩散到大气的各个部位，但是到了平流层后，就会在太 阳的紫外辐射下发生光化反应，释放出活性很强的游离氯原子或溴 原子，参与导致臭氧损耗的一系列化学反应： CFCl＋hv?〃CFCl＋〃Cl x4-xx3-x 〃Cl＋O?〃ClO＋O 32 〃ClO＋O?O＋〃Cl 2 这样的反应循环不断，每个游离氯原子或溴原子可以破坏约10万个O分子，这就是氯氟烷烃或溴氟烷烃破坏臭氧层的原因。3 国际组织《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》规定了15种氯氟烷烃、 3种哈龙、40种含氢氯氟烷烃、34种含氢溴氟烷烃、四氯化碳（CCl4）、甲基氯仿（CHCCl）和甲基溴（CHBr）为控制333 使用的消耗臭氧层物质，也称受控物质。其中含氢氯氟烷烃 （如,HCFCl）类物质是氯氟烷烃的一种过渡性替代品，因其含有H，2 使得它在底层大气易于分解，对O层的破坏能力低于氯氟烷烃，但3 长期和大量使用对O层危害也很大。 3 3 在工程和生产中作为溶剂的四氯化碳（CCl）和甲基氯仿4（CHCCl），同样具有很大的破坏臭氧层的潜值，所以也被列为受33 控物质。 溴氟烷烃主要是哈龙：哈龙1211（CFBrCl）、哈龙1310（CFBr）、23 哈龙2420（CFBr）,这些物质一般用作特殊场合的灭火剂。此类物242 质对臭氧层最具破坏性，比氯氟烷烃高3～10倍，1994年发达国家已经停止这3种哈龙的生产。 近年来的研究发现，核爆炸、航空器发射、超音速飞机将大量 的氮氧化物注入平流层中，也会使臭氧浓度下降。 NO对臭氧层破坏作用的机理为： O＋NO?O＋NO， 322 O＋NO?O＋NO, 22 总反应式为：O＋O?2O。 32 4 臭氧空洞的危害 臭氧层中的臭氧能吸收200～300 nm的阳光紫外线辐射，因此 臭氧空洞可使阳光中紫外辐射到地球表面的量大大增加，从而产生 一系列严重的危害。 阳光紫外线辐射能量很高的部分称EUV，在平流层以上就被大气中的原子和分子所吸收，从EUV到波长等于290nm之间的称为UV-C段，能被臭氧层中的臭氧分子全部吸收，波长等于290～320nm的辐射段称为紫外线B段（即B类紫外线），也有90％能被臭氧分子吸收，从而可以大大减弱到达地面的强度。如果臭氧层的臭氧含量减 少，则地面受到紫外线B的辐射量增大。 B类紫外线灼伤称为B类灼伤，这是紫外辐射最明显的影响之一， 学名为红斑病。B类紫外线也能损耗皮肤细胞中遗传物质，导致皮 肤癌。B类辐射增加还可对眼睛造成损坏，导致白内障发病率增加。 B类紫外线辐射也会抑制人类和动物的免疫力。因此B类紫外线辐射的增加，可以降低人类对一些疾病包括癌症、过敏症和一些 传染病的抵抗力。 B类辐射的增加，会对自然生态系统和作物造成直接或间接的 影响。例如B类紫外辐射对20米深度以内的海洋生物造成危害，会 4 使浮游生物、幼鱼、幼蟹、虾和贝类大量死亡，会造成某些生物减 少或灭绝，由于海洋中的任何生物都是海洋食物链中重要的组成部 分，因此某些种类的减少或灭绝，会引起海洋生态系统的破坏。 B类辐射的增加也会损害浮游植物，由于浮游植物可吸收大量 二氧化碳，其产量减少，使得大气中存留更多的二氧化碳，使温室 效应加剧。 B类辐射还将引起用于建筑物、绘画、包装的聚合材料的老化， 使其变硬变脆，缩短使用寿命等等。 另外，臭氧层臭氧浓度降低紫外辐射增强，反而会使近地面对流 层中的臭氧浓度增加，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。 有人甚至认为，当臭氧层中的臭氧量减少到正常量的1/5时，将是地球生物死亡的临界点。这一论点虽尚未经科学研究所证实， 但至少也表明了情况的严重性和紧急性。 5 修补臭氧层的措施 氟利昂是杜邦公司30年代开发的一个引为骄傲的产品，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， 哈龙在消防行业发挥着重要作用。当科学家研究令人信服地揭示出 人类活动已经造成臭氧层严重损耗的时候，“补天”行动非常迅速。 实际上．现代社会很少有一个科学问像“大气臭氧层”这样由激 烈的反对、不理解，迅速发展到全人类采取一致行动来加以保护。 1985年，也就是Monlina和Rowland提出氯原子臭氧层损耗机制后11年，同时也是南极臭氧洞发现的当年，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》。在该议定书中，规定 了保护臭氧层的受控物质种类和淘汰时间表，要求到2000年全球的氟利昂消减一半，并制定了针对氟利昂类物质生产、消耗、进口及 5 出口等的控制措施。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。不仅如此，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》。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。 从这里我们不仅可以看到人类日益紧迫的步伐，而目也发现， 即使如此努力地弥补我们上空的“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。 方禹之主编.中学百科全书?化学卷.上海:华东师范大学出版社等,1994 王庚辰 ?臭氧空洞亮黄牌?人民日报,2000.11.8 6