环境科学概论-浅谈臭氧层空洞

浅谈臭氧层空洞

【摘要】：臭氧在1849年首次被人类发现，20世纪70年代末开始，科学家们开始每年春天在南极考察臭氧层。随着臭氧层空洞面积的增大，人们逐渐意思到保护臭氧层迫在眉睫。本文从臭氧层作用讲起，论述了其成因、现状、危害及其控制措施。

【关键词】：臭氧层臭氧空洞氟利昂

1.大气臭氧层的作用

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：O2＋hv→O＋O

O2＋O =O3

高层大气中的氧气受波长短于242nm的紫外线照射变成游离的氧原子，有些游离的氧原子又与氧气结合就生成了臭氧，大气中90%的臭氧是以这种方式形成的。O3是不稳定分子，来自太阳的短于1140nm射线照射又使O3分解，产生O2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分解速度的动态平衡。

太阳是一个巨大的热体，表面温度高达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，总量只占大气的百万分之0.4。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，其平均密度约为9×10-8g/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3mm，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。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)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.大气中臭氧层现状及发展

下表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2006年9月,南极臭氧层空洞覆盖的面积达2950万平方公里，这是上世纪80年代早期，科学家首次发现南极上空有臭氧层空洞的近二十年来，迄今为止观测到臭氧空洞的最大面积，去年有所减小。

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。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。

4.臭氧空洞的成因

目前，对于臭氧层空洞形成机制大致有三种理论解释：①动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少，形成臭氧洞；②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少，出现臭氧洞；③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧洞的形成。

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”。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 : CF2Cl2 → CF2Cl·+ Cl·①

Cl·+O3 → ClO·+O2 ②

ClO·+[O] → Cl·+O2 ③

②③两个反应式循环、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。

5.臭氧空洞的危害

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 + O2 ①

O2+ [O] → 03 ②

O3+RH(烃)→RCOO(羧酸基)+RCHO(醛)+R2CO(酮) ③

6.修补臭氧层的措施

6.1新技术