臭氧層損耗的原因、危害及其防治對策

楊桂英

（赤峰學院 環(huán)境與資源系，內蒙古 赤峰 024000）

臭氧層損耗的原因、危害及其防治對策

楊桂英

（赤峰學院 環(huán)境與資源系，內蒙古 赤峰 024000）

臭氧層是指距離地表15～50km處臭氧分子相對富集的大氣平流層.它能吸收99%以上對人類有害的太陽紫外線，保護地球上的生命免遭短波紫外線的傷害.因此，臭氧層被譽為地球上生物生存繁衍的保護傘.然而，近20多年來，地球上的臭氧層正在遭到破壞.目前，如何防止臭氧層遭破壞已成為人類面臨的全球性環(huán)境問題之一.

臭氧層；原因；危害；防治對策

臭氧和氧氣是氧元素的同素異構體，呈淡藍色，因有一種魚腥臭味，因此而得名“臭氧”.在地球的大氣層中，臭氧（O3）的含量極少，僅占空氣的幾百萬分之一，由太陽飛出的帶電粒子進入大氣層，使氧分子裂變成氧原子，而部分氧原子與氧分子重新結合成臭氧分子.距地面15～50千米高度的大氣平流層，集中了地球上約90%的臭氧，這就是“臭氧層”.

從1840年Soh nbein發(fā)現(xiàn)臭氧氣體至今已170年，在這漫長的歲月中，隨著科學及測量技術的不斷進步，人類對臭氧層的認識日益深入，其中有著名的Chapman臭氧層光化學理論（1930年）及羅蘭-莫里那理論（1974年）.1985年，法爾曼(Farmen)等發(fā)現(xiàn)南極臭氧層有嚴重損失.1995年初，美國太空總署發(fā)布了衛(wèi)星遙感測量結果，證實了羅蘭-莫里那理論，使人們認識到臭氧層對于生命、全球氣候以及人類的未來至關重要.然而，近20多年來，地球上的臭氧層正在遭到破壞.

1 臭氧層的作用

盡管臭氧層在地球表面并不太厚，臭氧在大氣層中只占百萬分之一，若在氣溫0℃時，將地表大氣中的臭氧全部壓縮到一個標準大氣壓時，臭氧層的總厚度才不過3mm.就是這樣的一個臭氧層，卻吸收了來自太陽99%的高強度紫外輻射（是波長100～400納米的紫外線，分為長波（UV-A）、中波（UV-B）、短波（UV-C），長波紫外線能夠殺菌.但是波長為200～315納米的中短波紫外線對人體和生物有害,尤其是240～290納米的紫外區(qū)段對今天的生命本質物質——核酸和蛋白質有嚴重的破壞作用）.成為地球一道天然屏障，使地球上的生命免遭強烈的紫外線傷害.假如沒有臭氧層擋住紫外輻射，陸地上將荒蕪一片，現(xiàn)在任何形式的生命在陸地上斷難存在，這或許是生命誕生于原始海洋中的原因之一.可以毫不夸在地說，地球上的一切生命就像離不開水和氧氣一樣離不開大氣臭氧層，大氣臭氧層是地球上一切生靈的保護傘.億萬年來，萬物生靈在臭氧層保護傘的蔭護下得以生存和繁衍.

2 臭氧層損耗的現(xiàn)狀及原因

2.1 臭氧層損耗的現(xiàn)狀

1985年，英國科學家法爾曼(Farmen)等人首先提出，“南極臭氧洞”的問題.他們根據(jù)南極哈雷灣觀測站的觀測結果，發(fā)現(xiàn)從1957年以來，每年早春(南極10月份)南極臭氧濃度都會發(fā)生大規(guī)模的耗損，極地上空臭氧層的中心地帶，臭氧層濃度已極其稀薄，與周圍相比像是形成了一個“洞”，直徑達上千公里,“臭氧洞”就是因此而得名的.這一發(fā)現(xiàn)得到了許多其他國家的南極科學站觀測結果的證實.衛(wèi)星觀測結果表明，臭氧洞在不斷擴大，至2006年臭氧層空洞曾達到2950萬km3，相當于兩個南極大陸.同時，南極臭氧洞持續(xù)的時間也在加長.這一切跡象表明，南極臭氧洞的損耗狀況仍在惡化之中.

目前，不僅在南極，在北極上空也出現(xiàn)了臭氧減少的現(xiàn)象，美、日、英、俄等國家聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)，北極上空臭氧層也減少了20%，已形成了面積約為南極臭氧空洞三分之一的北極臭氧空洞.在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原，中國大氣物理及氣象學者的觀測也發(fā)現(xiàn)，青藏高原上空的臭氧正在以每10年2.7%的速度減少，已經成為大氣層中的第三個臭氧空洞.

2.2 破壞臭氧層的物質

自從發(fā)現(xiàn)南極上空出現(xiàn)臭氧空洞以后，科學家們經過近十多年的研究，最后得出一致的結論：臭氧層的破壞和臭氧空洞的出現(xiàn)，是人類自身行為造成的；是人們在生產和生活中大量地生產和使用“消耗臭氧層物質（ODS）”以及向空氣中排放大量的廢氣造成的.

ODS主要包括下列物質：CFCs（氯氟烴）、哈龍(Halon，全溴氟烴)、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷等.

ODS的用途：用作制冷劑、噴霧劑、發(fā)泡劑、清洗劑等.廢氣：主要是汽車尾氣、超音速飛機排出的廢氣、工業(yè)廢氣等.

在上述所有物質中，破壞力最強的（或者稱之為“罪魁禍首”）是CFCs和哈龍.而在我們生活中用的最多的就是我們大家所熟悉的CFCs.

到上世紀80年代初，全世界每年向大氣排放100多萬噸該類物質，而歐美日等發(fā)達國家的排放量占全世界90%以上.從20世紀的30年代初到90年代的五六十年中，人類總共生產了1500萬噸氯氟烴.人類開發(fā)了氯氟烴，使自己的生活提高了檔次，卻帶來了一個巨大的環(huán)境問題——臭氧層的破壞.

2.3 臭氧層損耗機理

在平流層中臭氧耗損，主要是通過動態(tài)遷移到對流層，在那里得到大部分具有活性催化作用的基質和載體分子，從而發(fā)生化學反應而被消耗掉.O3主要是與HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活潑自由基發(fā)生同族氣相反應.

2.3.1 廢氣破壞臭氧層

廢氣中含有大量的氮氧化物（如NO和NO2等），這些氮氧化物可以破壞掉大量的臭氧分子，從而造成臭氧層的破壞.

近年來研究發(fā)現(xiàn)，核爆炸、航空器發(fā)射、超音速飛機將大量的氮氧化物直接注入平流層中，同樣會使臭氧濃度下降.

NO對臭氧層破壞作用的機理為：

O3＋NO→O2＋NO2

O＋NO2→O2＋NO

總反應式為：O＋O3→2O2

2.3.2 CFCs和哈龍對臭氧層的破壞

美國科學家莫里納（Molina）和羅蘭德（Rowland）提出：人工合成的一些含氯和含溴的物質是造成臭氧層被破壞的元兇，最典型的是氯氟烴類化合物（CFCs）和含溴化合物哈龍（Halons）.

CFCs和Halons在生產和使用過程中總是要泄漏的，泄漏后首先進入大氣的對流層中.而這些物質在對流層中是化學惰性的，即它們在對流層中十分穩(wěn)定，可以存在幾十年甚至上百年不發(fā)生變化.但這些物質不可能總是存在于對流層中，通過極地的大氣環(huán)流以及赤道地帶的熱氣流上升，最終使這些物質進入平流層.然后又在風的作用下，把它們從低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)輸送，在平流層內混合均勻.在平流層內，強烈的太陽紫外線照射使CFCs和Halons分子發(fā)生解離，釋放出高活性的氯和溴的自由基.氯原子自由基和溴原子自由基就是破壞臭氧層的主要物質，它們對臭氧破壞的化學機理如下：

R-Cl→R·+Cl·

CI·＋O3→ClO·＋O2

CIO·＋O3→Cl·＋2O2

溴原子自由基也是以同樣的過程破壞臭氧.據(jù)估算，一個氯原子自由基在失活以前可以破壞掉104—105個臭氧分子，而由Halon釋放的溴原子自由基對臭氧的破壞能力是氯原子的30—60倍.而且，氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協(xié)同作用，即二者同時存在時，破壞臭氧的能力要大于二者簡單的加和.

當然，臭氧空洞的形成除了以上的化學過程外，還有空氣動力學過程和極地特殊的溫度變化過程所參與的非均相的催化反應過程，這就是為什么臭氧空洞出現(xiàn)在兩極以及多發(fā)生在春季.

2.4 臭氧層破壞的長期性

令科學家和社會各界憂慮的是，CFCs和Halons具有很長的大氣壽命，一旦進入大氣就很難去除，這就意味著即使人類停止生產和使用這些物質，它們對臭氧層的破壞還會持續(xù)一個漫長的過程.

3 臭氧層損耗對全球環(huán)境和健康的影響

目前，在全球廣大地區(qū)都觀測到臭氧總量的下降，其直接后果是導致地球太陽紫外線輻射的增加.根據(jù)1998年聯(lián)合國環(huán)境署臭氧層耗損環(huán)境影響專家委員會的報告，由于臭氧層損耗，導致全球范圍地面紫外線照射加強.其中：北半球中緯度地區(qū)冬/春季增加了7%；北半球中緯度地區(qū)夏/秋季增加了4%；南半球中緯度地區(qū)全年平均增加了6%；南極地區(qū)春季增加了130%；北極地區(qū)春季增加了22%.預計在隨后的幾十年里，臭氧層將處于最脆弱的狀態(tài).臭氧層損耗對全球環(huán)境和人類健康的影響將是深遠的.

3.1 對人類健康的影響

臭氧層損耗后，人們直接暴露于UV-B輻射中的機會增加了.UV-B輻射會損壞人的免疫系統(tǒng)，使患呼吸道系統(tǒng)的傳染病人增多；增加皮膚癌和白內障的發(fā)病率.全世界每年大約有10萬多人死于皮膚癌，大多數(shù)病例與UV-B有關.研究表明，如果大氣中臭氧含量減少1%，地面受紫外線幅射就會增加2～3%.而人類患皮膚癌的患者就會增加5～7%.

由于臭氧層耗損導致的白內障和皮膚癌在目前還沒有得到控制，預計由于臭氧層耗損導致的白內障和皮膚癌將在21世紀末能夠降低到原來的水平.

3.2 對陸生生態(tài)影響

UV-B輻射增強將破壞植物和微生物組織，使植物葉片變小，因而減少俘獲陽光進行光合作用的有效面積.UV-B輻射改變植物的生物活性和生物化學過程（但不一定是破壞）；這種改變將包括植物的生命周期和植物中的一些化學成分；某些化學成分可能是一些植物含有的關鍵成分，而這些成分可以幫助植物防止病菌和昆蟲的襲擊，可以影響作為人類和動物食物的植物的質量.例如：對大豆的初步研究表明，UV輻射會使其更易受雜草和病蟲害的損害，臭氧層厚度減少25%,可使大豆減產20～25%.對長生命植物而言，UV-B輻射效應具有積累效果；目前的研究表明UV-B輻射存在累積效應，如果對大多數(shù)植物都有這類效應，對森林的影響后果將不堪設想.UV-B輻射同其他環(huán)境因子，包括CO2、溫度、水、礦物質等，對陸生生態(tài)產生影響.

3.3 對水生生態(tài)影響

UV-B的增加，對水生系統(tǒng)有潛在的危險；水生植物大多數(shù)貼近水面生長，這些處于水生食物鏈最底部的小型浮游植物最易受到平流層臭氧損耗的影響，而危及整個生態(tài)系統(tǒng).研究表明，UV-B輻射的增加會直接導致浮游植物、浮游動物、幼體魚類、幼體蝦類、幼體螃蟹以及其它水生食物鏈中重要生物的破壞.研究人員已發(fā)現(xiàn)臭氧洞與浮游植物繁殖速度下降12%有直接關系；美國能源與環(huán)境研究所的報告表明，臭氧層厚度減少25%導致水面附近的初級生物產量降低35%，光亮帶(生產力最高的海洋帶)減少10%.

3.4 對生物化學圈影響

UV-B輻射增強將改變CO2和CO循環(huán)已經得到肯定.可溶性有機碳（DOC）和固體有機碳（POC）可吸收UV-B輻射并被降解，降解產物將被細菌進一步降解.這一過程對碳循環(huán)非常重要，由于UV-B可以降解DOC，UV-B的增加將增加UV-B和UV-A對水的穿透能力，穿透能力提高之后UV-B又可以進一步降解DOC，升溫和酸化將提高UV-B的穿透能力；UV-B輻射增強將導致海洋經濟產品產量下降；由于UV-B減少了海洋微生物產量，進而減少了海洋浮游生物對CO2的吸收能力.

3.5 對空氣質量影響

UV-B增加后，對流層化學反應活性增強；對流層中的臭氧主要受到NOx和碳氫化合物的影響.模式研究表明額外的UV-B輻射將減少清潔地區(qū)臭氧，但是將增加污染地區(qū)的臭氧水平.近年研究證實，UV-B增加會使一些市區(qū)的煙霧加劇.模擬實驗發(fā)現(xiàn)，平層臭氧減少33%，溫度上升4℃時，費城及納什維爾的光化學煙霧將增加30%或更多.

3.6 對材料影響

UV-B輻射將影響聚合材料的物理和機械性質.UV-B輻射增加將減少聚合和生物材料（如木材、紙張、羊毛和棉制品、塑料等）的使用壽命.在經濟方面，臭氧耗竭會使塑料惡化、油漆退色、玻璃變黃、車頂脆裂等，造成經濟損失.

3.7 改變大氣輻射平衡

通過地面監(jiān)測和衛(wèi)星觀測，由于臭氧層耗損，導致平流層下部氣溫變冷和對流層變熱，使原有的臭氧縱向分布發(fā)生改變，破壞地球的輻射收支平衡，加劇對流層中CO2、O3這些溫室氣體量的增加，成為影響氣候變化的一個重要的因素，以至于人們有可能不得不在一個陌生的、古怪的、天氣變化無常的環(huán)境下生存.

4 保護臭氧層的措施及對策

隨著人們對臭氧層保護意識的不斷增強，在取得共識的基礎上，有關國際組織和許多國家政府迅速采取了許多有效措施來避免臭氧層受到進一步破壞的聯(lián)合行動.

4.1 為了保護大氣臭氧層，各國采取的一些措施，大致可概括為

4.1.1 凍結和削減氟利昂與哈龍的生產及消耗量，從而保護臭氧層免遭破壞.既然破壞臭氧層的物質均為人造化學品，那么完全禁止生產和應用這些物質是可能的.但是，由于氟里昂在工農業(yè)生產上的重要地位,立即禁止生產和使用是有難度的，因此，國際上采用的辦法是逐步禁止生產和使用這些破壞臭氧層的物質.即將氟利昂的生產及使用凍結在l986年的水平上，1994年停止生產和使用哈龍.

4.1.2 減少氟利昂的排放量

除禁止氟利昂作氣溶膠應用外，通過再循環(huán)使用的方式也可減少其排放量.如制軟泡沫塑料中所用的氟利昂，收集后再生，經炭過濾再使用，能減少操作損失50%.

4.1.3 研究開發(fā)破壞臭氧層物質的替代物

較好的代用品應該是既不會破壞臭氧層，也不會產生溫室效應的化合物.由于破壞臭氧層的物質主要為氟里昂，所以，尋找氟里昂的替代物是研發(fā)的重點.現(xiàn)在比較常用的有：氫氟烴HFC，氫氟烴中不含氯，不破壞臭氧層，在大氣中的降解產物毒性較低，是較理想的替代物.但溫室效應較重，而且有些替代品有生產成本高,熱交換性能差、易燃的缺點等.氫氯氟烴HClF，氫氯氟烴的臭氧層破壞系數(shù)低，亦可作為氟里昂的過渡替代物，可用作聚氨酯和絕緣材料的發(fā)泡劑.其它替代物，有氟碘烴FI，其中的C—I鍵很容易吸收紫外線發(fā)生斷裂,不會滯留在大氣層，是很有發(fā)展前途的氟里昂替代物.氟代乙醇、氟代醚、二甲醚、氨、飽和烴作為氟里昂的替代物均有研究和應用.氦、空氣、水、二氧化碳及氮等許多天然物質在低溫和制冷行業(yè)早有應用，應該也是比較理想的替代物.

另外，許多國家目前正投入力量研究不采用氟利昂制冷原理的技術.例如磁制冷技術、氣體制冷技術、熱電制冷技術、吸附制冷技術和吸收制冷技術等.

4.1.4 繼續(xù)對對流層臭氧形成和耗損的機理、氟利昂等排放的影響，對人類和生態(tài)系統(tǒng)的危害等方面進行綜合調查研究.

4.2 國際保護臭氧層日（9月16日)

1987年9月16日，36個國家和10個國際組織的140名代表和觀察員在加拿大蒙特利爾集會，通過了大氣臭氧層保護的重要歷史性文件《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》.在該議定書中，規(guī)定了保護臭氧層的受控物質種類和淘汰時間表，要求到2000年全球的氟利昂消減一半，并制定了針對氟利昂類物質生產、消耗、進口及出口等的控制措施.由于進一步的科學研究顯示大氣臭氧層損耗的狀況更加嚴峻，1990年通過《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》倫敦修正案，1992年通過了哥本哈根修正案，受控物質種類再次擴充，完全淘汰的日程也一次次提前，締約國家和地區(qū)也在增加.到目前為止，締約方已達165個之多，反映了世界各國政府對保護臭氧層工作的重視和責任.不僅如此，聯(lián)合國環(huán)境署還規(guī)定從1995年起，每年的9月16日為“國際保護臭氧層日”，以增加世界人民保護臭氧層的意識，提高參與保護臭氧層行動的積極性.

我國政府和科學家們非常關心保護大氣臭氧層這一全球性的重大環(huán)境問題.我國早于1989年就加入了《保護臭氧層維也納公約》，先后積極派團參與了歷次的《保護臭氧層維也納公約》和《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》締約國會議，并于1991年加入了修正后的《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》.成立了保護臭氧層領導小組，編制并完成了《中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案》.根據(jù)這一方案，我國已于1999年7月1日凍結了氟利昂的生產，并將于2010年前全部停止生產和使用所有消耗臭氧層物質.

目前，全球范圍生產和消費氯氟烴（CFCs）和其它消耗臭氧層物質（ODS）已經被奇跡般地減少了將近70%.氯氟烴的重復利用被廣泛地采用，同時，臭氧安全技術現(xiàn)在已經可行并被廣泛采用.監(jiān)測表明，大氣中消耗臭氧層物質增長速度已經逐漸減慢，甲基溴的含量也已經減少.但由于臭氧層損耗物質從大氣中除去十分困難.預計采用哥本哈根修正案，也要在2050年左右平流層氯原子濃度才能下降到臨界水平以下，到那時，我們上空的“臭氧洞”可望開始恢復.臭氧層保護是近代史上一個全球合作十分典型的范例，這種合作機制將成為人類的財富，并為解決其它重大問題提供借鑒和經驗.

9月16日“國際保護臭氧層日”的確定，進一步表明了國際社會對臭氧層耗損問題的關注和對保護臭氧層的共識.

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