臭氧层形成与破坏

• 其二为加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外 线并将其转换为热能加热大气，由于这种作 用 大气温度结构在高度50km左右有一个峰， 地球上空15～50km存在着升温层。正是由于 存在着 臭氧才有平流层的存在。而地球以外 的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存 在平流层。 大气的温度结构对于大气的循环 具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭 氧的高度分布 。
1950-1990南极臭氧DU变化
350
330 320 280
300 250 200 150 100 50
310 280 260 240 200
100
90
DU
0
1 95 0 1 95 5 1 96 0 1 96 5 1 97 0 1 97 5 1 98 0 1 98 5 1 99 0 2 00 0
• 其三为 温室气体的作用，在对流层上部和平 流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧 的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧 减少，则会产生使地面气温下降的动力。因 此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。
臭氧层破坏现象的发现
• 1974年6月28日,美国化学家一一雷利· 罗兰和 马里奥· 莫利纳,在英国《自然界》杂志上发表了 “氯氟烃(CFC)会严重地损害地球的臭氧层”的论 文。1976年，美国国家自然科学院正式了这一发 现。 • 1985年5月16日,英国化学家乔· 法曼也在此杂 志上发表了论文,以强有力的充足数据证明罗兰和 莫利纳理论是正确的 。同年，英国南极考察队在 南纬60°地区观测发现臭氧层空洞，引起世界各 国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减少，使得太阳 对地球表面的紫外辐射量增加，对生态环境产生 破坏作用，影响人类和其他生物有机体的正常生 存。
臭氧层破坏的催化反应机理
• （1）水蒸气、甲烷等的影响 • 平流层中存在的水蒸气、甲烷，可与激发态氧原 子形成含氢物质(H，OH与HO2)，例如 • H2O+O→2HO • CH4+O→CH3+HO • H2+O→H+HO • 这些物质可造成O3损耗约10%。反应： • HO + O3 → HO2 + O2 • HO2 + O → HO + O2 • 总反应： O + O3 → 2O2
（3）天然或人为的氯、溴及其氧化 物的催化作用
• • • • • • • • • 平流层中ClOx的天然源是海洋生物产生的CH3Cl： CH3Cl + h· CH3 + Cl(该过程贡献cl很少) → ClOx的人为源是制冷剂（主要来源） CFCl3 + h· CFCl2 + Cl → CF2Cl2 + h· CF2Cl + Cl → 光解产生的Cl 可破坏O3 Cl + O3 → ClO + O2 O + ClO → Cl + O2 总反应： O + O3 → 2O2
• 南极大陆的面积约为1 4 0 0 万平方公里, 其 上空的臭氧层保护着地球生物免遭太阳紫外 线的侵害。但日本气象厅根据观测说, 今年 南极上空的臭氧层空洞的扩展比往年提前了 1 ～ 2 周, 空洞面积在9 月1 0 日已超过1 9 9 8 年2 7 2 4万平方公里的高峰值, 达2 9 1 8 万平方公里, 约为南极大陆面积的2 . 0 8 倍。 1 9 9 8 年高空臭氧的被破坏量为8 9 0 8 万 吨, 为历史之最。但观测表明, 2000年9 月1 2 日的高空臭氧的被破坏量突破了这一记录, 达到9 6 2 2 万吨, 创历史新高。
Fra Baidu bibliotek
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实际上，当CFC和Halon进入平流层后，通常 是以化学惰性的形态而存在，并无原子态的活性 氯和溴的释放。南极的科学考察和实验室的研究 都证明，化学惰性的ClONO2和HCl在平流层云表 面会发生化学反应，结果造成Cl2和HOCl2组分的 不断积累。 • 因此，南极臭氧洞的形成是包含大气化学、 气象学变化的非均相的复杂过程，但其产生根源 是地球表面人为活动产生的氟里昂和哈龙，曾经 是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的科学解 释。但是令人忧虑的是，CFC和Halon具有很长的 大气寿命，一旦进入大气就很难去除，这意味着 它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程，臭 氧层正受到来自人类活动的巨大威胁。
臭氧层形成与破坏
环评3101第三小组 刘尧芳 夏淑萍 蒋雨栖 何伟伟 张斌
目 录
1 案例导入
2
案例分析
3
知识链接
案例导入
南极上空出现历史上最大臭氧空洞
时 间 事 件
20世纪70年代中期 20世纪80年代 70年代-90年代中 期 1997至今 1998年
科学家在南极地区最早发现严重的臭氧层破坏 观测发现每年九月下旬开始南极臭氧层发生大规模 损耗，形成一个直径上千公里的“臭氧洞” 南极O3气柱总量从300DU左右下降到120DU 臭氧洞发生的时间在提前 臭氧洞持续时间超过100天，是发现以来最久记录
65°N-75°N,南半球最大值390DU
最低值出现在赤道地区，约260DU
55°S-65°S,南半球最大值340DU
臭氧的生成机理
• 大气层的臭氧主要以紫外线打击双原 子的氧气，把它分为两个原子，然后每个 原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分 子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分 子和氧原子，形成一个继续的过程臭氧氧 气循环，如此产生臭氧层。
（4）总结
• • • • 总结上述O3层破坏的反应过程，可得到： Y + O3 → YO + O2 O + YO → Y + O2 总反应： O + O3 → 2O2/Y
• 臭氧形成后：由于其比重大于氧气，会逐渐 的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着 温度的变化（上升），臭氧不稳定性愈趋明 显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为 氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互 转换的动态平衡。
臭氧层的作用
• 其一为保护作用，臭氧层能够吸收太阳 光 中的波长306.3nm以 下的紫外线，主要 是一部分UV—B(波长290～300nm)和全部 的UV—C(波长<290nm=，保护地球上的人 类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有 长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B 能够辐射到地面，长波紫外线对生物细胞 的 伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭 氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得 以生存繁衍 。
（2）· Ox的催化作用
• 平流层中的· 2O(超音速飞机排放)可为紫外线辐射 分解为· 2和O，其中，约有1%的· 2O又与激发态 的氧原子结合，经氧化后产生· O和· 2 O • ·2O+ O→ 2·O • · O+O3→·O2+O2 • 经氧化后产生· O和· 2是造成O3损耗的重要过程， O 估计约占O3总损耗量的70%。 • · + O3 → ·O2 + O2 O • · 2 + O → ·O + O2 O • 总反应： O + O3 → 2O2
臭氧层破坏的现状
• 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。
• 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。
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就重量而言，人为释放的CFC和Halon的分子都比空气分 子重，但这些化合物在对流层是化学惰性的，即使最活泼的 大气组分———自由基对CFC和Halon的氧化作用也微乎其微。 因此它们在对流层十分稳定，不能通过一般的大气化学反应 去除。经过一两年的时间，这些化合物会在全球范围内的对 流层分布均匀，然后主要在热带地区上空被大气环流带入到 平流层，风又将它们从低纬度地区向高纬度地区输送，在平 流层内均匀混合。 • 在平流层内，强烈的紫外线照射使CFC和Halon分子发生解 离，释放出高活性的原子态的氯和溴，氯和溴原子也是自由 基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破坏臭氧层的主要物 质，它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的。溴原子自由 基也以同样的过程破坏臭氧，因此也是催化剂。据估算，一 个氯原子自由基可以破坏104—105个臭氧分子，而由Halon 释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的30—60倍。 而且，氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用， 即二者同时存在时，破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和。
大 气 的 垂 直 分 层
大气层的结构
臭氧层
• 定义：臭氧层是指大气层的平流层 中臭氧浓度相对较高的部分，其主 要作用是吸收短波紫外线。 主要来源：臭氧层、雷电作用等。
臭氧层的形成
• 自然界中的臭氧，大多分布在距地面20Km--50Km的大气 中，我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制 造出来的。大家知道，太阳光线中的紫外线分为长波和短 波两种，当大气中（含有21%）的氧气分子受到短波紫外 线照射时，氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性 极强，极易与其他物质发生反应。如与氢（H2）反应生 成水（H2O)，与碳（C）反应生成二氧化碳（C02）。同 样的，与氧分子（O2）反应时，就形成了臭氧（O3）。 臭氧形成后，由于其比重大于氧气，会逐渐的向臭氧层的 底层降落，在降落过程中随着温度的变化（上升），臭氧 不稳定性愈趋明显，再受到长波紫外线的照射，再度还原 为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态 平衡。
臭氧层的时空分布
在标准状态下，全球臭氧层的平均厚度 约为300DU（Dobson,单位DU，是表征平 流层O3总量的最常用的单位）。
臭氧层在大气中是极其脆弱的一层气体， 如果在0℃下，沿着垂直方向将大气中的臭 氧全部压缩到一个大气压，那么臭氧层的 总厚度只有3mm左右。
分布规律
• 臭氧层总量在地理分布上是不均匀的，其最低值 出现在赤道附近，随着维度的增大，抽样厚度也 逐渐增大。南半球臭氧总量最大值位于南纬 550~650附近；北半球臭氧总量最大值位于北纬 650~750附近。接近两极地区臭氧厚度开始减少。 大气中臭氧总量还呈规律性的季节变化，其最大 值出现在两个半球的春季，最小值出现在秋季。
知识链接
• 大气的成分 • 大气层结构 • 臭氧层的定义 • 形成 • 分布 • 生成机理 • 作用 • 危害及防治对策
大气
1.大气的主要组成成分及其作用 三大组成成分
氧 干 洁 空 气 氮 二氧化碳 臭氧等 水汽 固体杂质
作用
氧气占大气体积的21%，是人类和一切生 物维持生命活动所必须的物质。 占大气体积的78%，是生物体的基本成分。 植物进行光合作用的重要原料；对地面 具体保温作用。 吸收太阳强紫外线，保护地球生命；少量 紫外线具有杀菌作用 在大气中的含量很少，但变化很大。影 响地面温度，是成云致雨的必要条件。
臭氧破坏的原因
• 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（CFxCl4-x，又称Freon），以及用于特殊场 合灭火的溴氟烷烃（CFXBr4-x，又称Halons哈龙） 等化学物质。 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。CF2C12 在对流层中寿命长达120年左右。因此，这类物质 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：
案例分析
• 美国科学家莫里纳和罗兰德提出，人工 合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极 臭氧洞的元凶，最典型的是氟氯碳化合物 （CFC，俗称氟里昂）和含溴化合物哈龙 （Halon）。越来越多的科学证据证实，氯 和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧 是造成南极臭氧洞的根本原因。那么，氟 里昂和哈龙是怎样进入平流层，又是如何 引起臭氧层破坏的呢？