21世纪臭氧层破坏的主要污染物

N2O:21世纪臭氧层破坏的主要污染物

摘要：通过在N2O的臭氧消耗潜在加权人为排放量与其他的消耗臭氧层物质之间进行比较，我们证明了N2O是目前唯一最重要的臭氧消耗排放物，并有望在整个21世纪保持最大。

氧化亚氮没有被蒙特利尔议定书加以调节。限制未来N2O排放将促进处于耗尽状态的臭氧层的恢复，也将减少对气候系统的人为影响，这对臭氧和气候来说是双赢。

破坏平流层臭氧层的人为制造的化学物质，被称为臭氧层消耗物质（ODS），是20世纪的重大环境问题之一。关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书（MP）从维也纳公约中出现。MP已经非常成功地减少了排放增长速率，含氯和含溴的卤化碳的浓度，和在历史上占主导地位的ODS，并限制了臭氧破坏，使臭氧层开始恢复。

各种ODS的臭氧层消耗的相对贡献往往是由臭氧消耗潜能值（ODP）量化。一个ODP涉及范围：从在地表释放的单位质量化学物质消耗平流层臭氧的数量到单位质量氯氟烃对臭氧消耗的数量。ODP在政策制定中广泛使用，凭借其量化化合物的相对破坏臭氧的能力。

通过Crutzen 和Johnston的研究，氮氧化物催化臭氧破坏也被人了解。反应如下：NO + O3 →NO2 + O2

O + NO2 →NO + O2

net: O + O3 →2O2

平流层NOx的主要来源是表面氧化亚氮排放。N2O被认为是一种自然的大气成份，但其变化对臭氧浓度长期变化的影响也被测验。

一氧化二氮与氟氯化碳CFCs,有许多相似之处，CFCs是历史上占主导地位的ODSs。氟氯化碳和N2O在对流层非常稳定，在那里它们被释放，并运输到平流层，在平流层释放活性化学物质来破坏平流层臭氧，通过含氯或氮氧化物催化过程。他们都有大量的人为来源。与氟氯化碳不同，N2O也有天然来源，类似于甲基溴（另一个重要的消耗臭氧层物质）。因此，确立N2O的ODP并分离出自然和人为排放在概念上不会比甲基溴困难。//自然与人为来源尽管N2O和先前识别出的ODS之间存在相似性，尽管氧化亚氮对平流层臭氧有影响，在同样的意义上，一氧化二氮并没有像含氯和溴的源气体一样被认为是ODS。维也纳公约的签署已在第2条（一般义务）同意“采取适当的立法或行政措施来...控制，限制，减少或防止其管辖或控制下的人类活动，这些具有（或可能具有）修改（或可能修改）臭氧层影响的活动应该被发现。”然而，N2O仍然不由MP管制。

在这里，我们提出N2O的消耗臭氧潜能值是非零的正数，并基于N2O消耗臭氧的程度发现N2O是臭氧损耗物质。事实上，目前人类消耗臭氧潜能值加权N2O排放量是所有消耗臭氧层物质中最大的，并预计将在剩下的21世纪保持最大。

我们通过使用加西亚和所罗门二维（2D）模型计算出氧化亚氮的ODP。当前大气条件下，N2O的ODP的计算是0.017。这个值相当于多烃（氯氟烃）的ODP，如HCFC-123（0.02），-124（0.022），-225ca（0.025），和-225cb（0.033），在当前MP下这些ODP正被逐步淘汰。我们得出结论，氧化亚氮的ODP的值是确凿可信的，因为（一）我们类似地计算了CFC-12（1.03）和HCFC-22（0.06）的值，与可接受的值一致; （二）NOx（来自N2O）对臭氧的消耗，主导了平流层中层臭氧的化学控制，平流中层是用二维模型表示的区域; （三）通过增加N2O从而减少臭氧已在其他研究被报道，虽然没有发表的研究报告，但据我们所知，此前已经提出了一个N2O的ODP。

在这篇文章中，我们考察了一些影响N2O的ODP的重要因素。在中纬度地区，由氯催化的臭氧破坏对最底层和最高平流层的臭氧层消耗贡献最大。在臭氧浓度最高的地方，氮氧

化物对臭氧消耗贡献最大。这导致了由NOx造成的臭氧高速消耗。N2O的ODP值比CFCs的ODP值低，主要是因为只有~10%的N2O被转化成了NOx，然而CFCs潜在的贡献了它们所有的氯。

氮氧化物和氯之间存在着重要的联系，所以N2O的ODP可能与过去和将来的计算值不同。众所周知，氮氧化物通过CIONO2的形式占用了部分氯，抑制氯催化下的臭氧破坏。然而，由Kinnision等人的研究可以知道，其他反应比如CIO与NO反应转变成CI，可以抵消这种抑制。//有抑制作用然而可以抵消

我们通过计算1959年（工业革命以前）平流层氯的大气浓度，对N2O的ODP对氯浓度的依赖性进行了量化。发现1959年的ODP值为0.026，即CI浓度对N2O造成的臭氧层破坏效率有适度的影响。这些1959年和2000年的氯浓度结果为剩余的21世纪给出了范围；这说明当平流层氯载回到工业化前的水平时，每单位质量排放量的N2O的臭氧破坏性应加大50%。

氮氧化物化学也依赖于单个氢，溴和甲烷水平，但是N2O的ODP对这些因素的依赖性预计会比对氯的影响小很多。

然而火山喷射之后，平流层硫酸盐气溶胶浓度增大，提高了氯破坏臭氧的效率，它们将具有催化活性的NOx转变为HNO3隐藏起来，从而降低了NOx排放的影响。在皮纳图博火山喷发之后，这种影响已经被观察到。所以，我们预测N2O的ODP在硫酸盐负荷被加强之后将会降低。然而，高山硫酸盐负荷是不可预测的和零星的，他们的影响也是短期的，只能持续几年。我们通过计算在皮纳图博火山喷发后硫酸盐负荷峰值时候的ODP，评估了它们影响的程度。

在接下来的讨论中，我们使ODP的值为0.017，即设它是独立于大气条件、大气组成和时间的值。这个值是针对上述讨论的因素的一个保守选择。

需要注意的是，单独的ODP不能完全量化一种排放到大气中的化学物质的影响。通过使用数量值比如ODP排放加权而不是一个强度值比如ODP作为一个指标，整个排放历史甚至未来的排放预测都必须考虑进去，因为ODP只考虑每单位质量臭氧消耗量。图1比较了1987年和2008年的人为N2O排放和来自主要的ODSs的N2O（现MP控制下）。很显然，即使在没有MP的1987年，ODP加权的N2O人为排放量也是ODP加权的CFC-11, CFC-12, 和CFC-113排放量的一个可观部分。它们可能比哈龙的ODP加权总和更大，也比甲基溴的ODP加权总和更大。

尽管N2O的ODP值只有0.017，大概是CFC-11s的六分之一，大量的人为N2O排放超过了弥补它的小量ODP，造成人为的N2O排放成为目前唯一最重要的人为ODS排放。例如，N2O现在的全球人为排放（主要来源于肥料使用的副产品、化石燃料燃烧和工业过程、生物质和生物燃料燃烧以及一些其他过程）每年约为10万吨，与来源于所有高峰时期排放的CFCs 的略多于一百万公吨的数量相比。

图2比较了在MP管制下，20世纪晚期和整个21世纪的各种ODS的ODP加权估计排放量。在各种温室气体减排的要求下，近期对于未来的N2O排放量的估计继续显示出，N2O 的排放量不可能比现在低，即使面临着最严格的减排要求。从图2最顶部的表格看出，很显然，N2O是目前最大的ODS 排放。实际上，预计在本世纪余下的时间里，N2O仍然是这些排放中最大的。如果人为N2O排放持续不减，到2050年，它们可以代表1987年的ODP加权排放量，超出了CFC ODP加权排放量的30%。这些关于人为N2O的影响的基本理论，在总人为排放速率和特定部门排放的不确定性下并不特别敏感。

值得注意的是，ODP加权排放比较中最大的不确定性来自于N2O排放估计的不确定性，而不是在于ODP计算值。部门N2O的大量排放（大部分来自于农业生产和工业排放）具有很大的不确定性，但是由于观察到的N2O浓度和N2O寿命的增长，总人为排放被制约。全