影响臭氧浓度分布的因素

影响臭氧浓度分布的因素

江苏张付民

关键词：空气动力作用，CFCs，三水硝酸，吸附和化学催化作用，极地涡旋

论点摘要：太阳紫外辐射的强弱和季节变化是影响平流层大气中臭氧浓度高低变化的主导

因素。

人类排放的氯氟烃气体化合物导致大气中臭氧的含量总体减少。

大气环流调节了高低纬间的臭氧浓度趋于均衡。

空气动力作用使局部地区的臭氧浓度明显减小。

正文：不同高度或区域的空气中，臭氧的含量是不同的。影响臭氧浓度大小的因素很多，

如太阳辐射，空气动力作用，人类向大气中排放的氯氟烃化合物（CFCs），极地上空三水

硝酸的吸附和化学催化作用等等。两个或多因个素叠加在一起，使一些区域空气中臭氧的

浓度大幅度降低，出现“臭氧空洞”。

限于阅读主体的知识结构和层次，本文简要说明上述因素对臭氧浓度的大小及其变化规律

的影响。

一．太阳辐射对臭氧浓度大小的影响。太阳辐射是影响大气中臭氧浓度大小的最主要因素，因为臭氧的生成与太阳辐射密切相关。在大气平流层，空气得到的太阳紫外辐射较多，氧分子分解成氧原子，氧原子与邻近的氧分子反应生成臭氧，臭氧受强烈紫外辐射分解成氧分子和一个氧原子或与活泼的氧原子作用形成两个氧分子。上述的生成与分解过程维持着微妙又脆弱的平衡。向高层大气去，太阳紫外辐射更强，物质以原子状态存在；向低层大气去，太阳紫外辐射很弱，氧分子不能分解成为氧原子。所以高层大气和对流层大气中臭氧的浓度极低。在平流层大气中，太阳紫外辐射的强弱决定臭氧量的多少。太阳黑子活动峰年时，紫外辐射强度大，臭氧量增加，有人认为多3%。

太阳紫外辐射强度大致随地球纬度的增设而减弱，赤道获得强度最大，两极最小。仅仅考虑太阳紫外辐射因素，大气中臭氧的浓度应随地球纬度的增设而减弱。

但是，事实情况是两极地区大气中臭氧的浓度远远大于赤道。

二．大气动力作用对臭氧浓度大小的影响。(季节)

1．大气环流和平流层风的作用，使臭氧向两极输送，在极地冬季极夜期间没有太阳辐射，本地的臭氧完全靠风自赤道向极地输送。从整体上看，这一作用使全球臭氧的水平分布趋

于均衡。注意到两极的冬季臭氧的补充取决于风自赤道向两极的输运过程，如果有一个围

绕极地旋转的强大气流，阻断了自赤道向极地的臭氧输送过程，极地的臭氧量与夏季相比

不会有很大变化。

2．两极地区确实存在着季节性的强大涡旋，即极地涡旋。冰原地表使得南极地区的极地

涡旋比北极强大。每年大约5、6月间，在南极冬季开始的时候，强烈的冷气团形成围绕

南极的闭合风系，出现极地涡旋。大约到11月，气温回升时，极地涡旋才会崩溃。

3．极地涡旋不仅阻断了自赤道向极地的臭氧输送过程，而且它与极地平流层云的正反馈

机制使得臭氧大量分解。

为了说明问题，引入两个概念：「氯贮存物质」进入平流层的物质中有少量的甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2），它们与氟里昂在紫外辐射作用下释放出的氯原子作用分别产生氢氯

酸（HCl）和硝酸氯（ClONO2）,这些物质化学性质不活泼，一般情况下不会释放出氯原子，称为「氯贮存物质」。「极地平流层云」平流层空气极为干燥，相对湿度只有1%左右，

几乎没有云、雨等天气现象，但是在漫长的极地冬夜期间，仍会因严寒形成极地平流层云。冬季极地气温下降至-83℃以下，水汽就会附着在平流层中三水硝酸（NHO3·3H2O）的颗

粒表面，凝结成冰粒。大大小小的冰粒和三水硝酸颗粒是极地平流层云的主要成份。由于

气温的关系，以三水硝酸颗粒为主的极地平流层云在南极最为普遍。极地平流层云不仅把

氯贮存物质吸收到颗粒的界面上，并且产生化学反应，释放氯气：ClONO2+HCl→Cl2+HNO3。一旦9月来临，南极春季阳光普照，在短短几个小时内，活泼的氯气被分解成两个氯原子：Cl2+hv→Cl+Cl。一个释放出的氯原子，用数个月的时间通过催化反应，就可以使10万个臭

氧分子消失。首先，氯与臭氧反应，生成氧化氯自由基：Cl+O3 →ClO+O2，自由基ClO非

常活泼，与同样活泼的氧原子反应，生成氯和稳定的氧分子：ClO+O→Cl+O2。释放出的氯

原子又和臭氧产生反应，因此，氯原子一方面不断消耗臭氧，另一方面却又能在反应中不

断再生，形成催化反应。由于极地涡旋风速强劲，涡旋内部的空气与外部大气完全隔离，

从低纬地区吹来的风，虽然向南极输送大量温暖富含臭氧的空气，也无法进入涡旋内部，

使气温上升，因此，涡旋内部气温在极夜状态只降不升，迅速达到极地平流层云的形成条件，臭氧分解。臭氧一旦分解，停止吸收紫外线，涡旋内部空气也就失去加热的热源，气

温进一步下降，极地平流层云得到发展，同时强化了极地涡旋，使它保持稳定状态。极地

平流层云与极地涡旋的相互作用使双方得到加强，科学家把这种相互作用称为正反馈机制，

使南极臭氧含量在每年大约10月达到最低点，之后，随着温度回升，涡旋瓦解，极地平

流层云也随之消融，南极臭氧量逐渐升高。大气动力作用对臭氧浓度的影响在不同的区域

有着不同的形式。

4．赤道地区气流强烈上升，对流层顶较高，低层空气的上升稀释了对流层顶层的臭氧，

使得赤道上空臭氧的浓度较低。

在青藏高原地区，上对流层平流作用把副热带低臭氧浓度空气输送到较高纬度上空，从而

引起当地臭氧总量很快减少。在200百帕高度上，青藏高原上空副热带西风急流北抬至北

纬40度，致使高原上空对流层顶抬升，强大的西南气流把热带对流层低浓度臭氧空气向

青藏高原上空输送，最终导致青藏高原上空臭氧总量大幅度降低。全球范围内许多类似的

高原、山地，例如美国的落基山脉、南美的安第斯山脉也由于大气环流产生巨大的动力，

导致上空存在不同程度的臭氧亏损。青藏高原地面在夏季对大气加热最强，十八公里以下

大气中，垂直向上的物质输送作用很强，而将臭氧含量较少的低层空气带向高空，冲淡高

空臭氧含量。热力作用与动力作用的叠加使青藏高原上空夏季的臭氧浓度明显偏低。三．氟里昂导致大气中臭氧的含量总体减少氟里昂于30年代开发出来。

属于氯氟烃化合物（CFCs），氟里昂是它的商品名称。它不易燃烧，不具腐蚀性，无毒，

性能稳定，价格便宜，作为一种工业用化学物质，被广泛使用在各种冷冻空调的冷媒、电

子和光学元件的清洗溶剂、化妆品等噴雾剂，以及泡沫塑料PU、PS、PE的发泡剂等等。

从20世纪的30年代初到90年代的五六十年中，人类总共生产了1500万吨氯氟烃。在对氟里昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟里昂已达到了2000万吨。由于它们在大

气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其中大部分仍然停留在对

流层，一小部分随着大气运动进入平流层。氟里昂进入平流层后在强烈的紫外辐射作用下，释放出一个氯原子：CCl3F+hv→ CCl2F+Cl。氯原子不断消耗和催化分解臭氧。由于氯原子也能与甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2）等物质作用产生氯贮存物质，所以单纯从化学的角

度来看，氟里昂对臭氧的破坏有限。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高。CFCs排出后在大气中迅速扩散，南北两半球的大气，

要穿越赤道完全混合，需時约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。大范围臭氧浓度不断降低，罪魁祸首是人类排放的

氟里昂。北纬45～65度之间的各地，在1992～1993年冬春之交，臭氧含量均是历年来的最低值。1994年，北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄，欧洲和北美上空的臭氧层