臭氧空洞釋放“太陽(yáng)殺手”

本刊記者 段雯娟

臭氧是大氣中保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境作用極大的高空物質(zhì)。臭氧層是地球的天然屏障，如同一把撐在大氣層高空的無(wú)形“保護(hù)傘”，是保護(hù)地球生物和人類安全的“天兵天將”。

自1984年科學(xué)工作者在南極上空發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞以來(lái)，已確認(rèn)全球各地臭氧層的濃度均有減少，特別在地球的“三極”。臭氧層變薄和出現(xiàn)空洞，對(duì)人類和生物是災(zāi)難性的可怕現(xiàn)象。人們普遍認(rèn)為破壞臭氧層的罪魁禍?zhǔn)拙褪侨祟惤ㄔO(shè)新生活中新創(chuàng)造出來(lái)的氟利昂等一系列人造物質(zhì)。它們穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，有足夠的時(shí)間漫游到臭氧層，雖然數(shù)量稀少，看不見(jiàn)摸不著，但到達(dá)平流層后卻分解放出氯原子，吞噬臭氧，破壞臭氧層。

太陽(yáng)是地球生物生存和活力的源泉，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。沒(méi)有太陽(yáng)就沒(méi)有今天的生機(jī)盎然的地球，也就沒(méi)有生物和人類。但太陽(yáng)不是“智慧體”，它不會(huì)對(duì)地球特別恩賜，只給地球生物和人類有益的東西（光、熱）。太陽(yáng)是一個(gè)巨大的敞開(kāi)的“核反應(yīng)堆”，每時(shí)每刻都在向周圍放射各種波長(zhǎng)的強(qiáng)烈輻射，有時(shí)還會(huì)發(fā)怒——驟然爆發(fā)，其輻射中的短波紫外線對(duì)人和生物都是致命的。

在地球長(zhǎng)期演化和生物進(jìn)化中恰巧形成了一種和諧的平衡關(guān)系，臭氧被安排在了高空平流層專門吸收對(duì)生物有害的紫外線，保護(hù)地球上生命的安全。如果臭氧層的臭氧減少，照射到地表的紫外線就會(huì)增多，這將是滅頂之災(zāi)。

臭氧層吸收紫外線、保護(hù)地球，沒(méi)有任何別的客體取得如此的成功，也沒(méi)有什么可以替代。可以說(shuō)沒(méi)有動(dòng)態(tài)平衡的臭氧層，就沒(méi)有健康的地球，就沒(méi)有人和生物存在的環(huán)境。保護(hù)臭氧層也就是保護(hù)人類自己。

人類對(duì)臭氧的認(rèn)識(shí)雖然有100多年的歷史，積累了一定的資料，但在臭氧對(duì)生態(tài)環(huán)境、氣候和人類生存與發(fā)展影響上的深刻研究，還是近30多年的事，科學(xué)工作者也提出了各自的理論解釋，但觀點(diǎn)不一，分歧較大。

臭氧層空洞的發(fā)現(xiàn)及變化

早在1950年，人們就已經(jīng)在南極設(shè)立了觀測(cè)站，對(duì)大氣中的臭氧進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)。1985年，英國(guó)的南極探險(xiǎn)家法爾曼提出了南極“臭氧層空洞”的說(shuō)法。他對(duì)在南極哈雷灣的觀測(cè)資料的分析認(rèn)為，自1975年開(kāi)始，每年的早春（10月）期間臭氧的濃度減少大于30%，自1975年的290DU減少到1985年的170DU。1994至1995年的春季，北極地區(qū)平流層氣溫比其他年份低，結(jié)果該年平流層臭氧比正常年份減少了約30%。

也有人認(rèn)為“臭氧層空洞”一詞是日本學(xué)者忠缽1982年首先提出的。日本南極昭和站長(zhǎng)年進(jìn)行著臭氧濃度的觀測(cè)。忠缽在1982年的南極考察中偶然發(fā)現(xiàn)了臭氧濃度減少的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他還以為是儀器出了問(wèn)題，沒(méi)有做深入的研究。1984年他在希臘舉行的一次國(guó)際性會(huì)議上平平淡淡地報(bào)告了自己觀測(cè)的結(jié)果，到會(huì)者也一聽(tīng)了之，不以為然。

1982年英國(guó)南極考察隊(duì)的科學(xué)家們也曾在觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，南極上空臭氧層出現(xiàn)了一個(gè)空洞，其中有20%的臭氧消失了，并且春季尤為明顯。后來(lái)他們還發(fā)現(xiàn)空洞還有擴(kuò)大的趨勢(shì)。

1984年英國(guó)又組織科學(xué)考察隊(duì)赴南極考察，科學(xué)家法爾曼等人在對(duì)南極哈雷灣觀測(cè)站的觀測(cè)資料分析時(shí)發(fā)現(xiàn)；在過(guò)去10至15年間，每到春天南極上空的臭氧濃度就會(huì)減少約30%，極地上空的中心地帶有近95%的臭氧被破壞。從地面上觀測(cè)，高空的臭氧層已極其稀薄，與周圍相比像是形成一個(gè)“洞”，“臭氧層空洞”由此而得名。這是人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，并被公認(rèn)。當(dāng)時(shí)，觀察此洞覆蓋面積只相當(dāng)于美國(guó)國(guó)土面積那么大。法爾曼還從資料研究中得出：從20世紀(jì)70年代中期以來(lái)，南極大陸上空每年春季即10月（南極夜晚剛剛結(jié)束的月份）南極上空臭氧總量逐年減少多達(dá)40%，臭氧層空洞越來(lái)越大、越來(lái)越深。本來(lái)在20km高空臭氧應(yīng)該較多，現(xiàn)在卻變得很少了。此后，英國(guó)學(xué)者再次組織力量進(jìn)行考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)南極上空臭氧層空洞的確存在。

1986年美國(guó)公布衛(wèi)星資料說(shuō)，每年9月底南極上空臭氧開(kāi)始減少，一直延續(xù)到11月初才停止；1985年南極上空臭氧層中臭氧濃度比1980年低了30%，比1975年低了50%。2000年南極上空的臭氧層空洞面積曾經(jīng)一度達(dá)到2960×104km2，相當(dāng)于3個(gè)美國(guó)大陸的面積，這是迄今為止所觀測(cè)到臭氧層空洞的最大面積。2002年9月初科學(xué)家們估算該空洞又縮小到了150×104km2。

為了解南極臭氧層變化情況，美國(guó)航空航天局曾在1987年組織了一次大規(guī)模的南極大氣臭氧試驗(yàn)：用2架飛機(jī)在空洞中飛行了20多次，對(duì)不同高度上臭氧層的濃度和破壞臭氧的物質(zhì)進(jìn)行取樣測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，春季時(shí)大約以南極極點(diǎn)為中心的上空有一個(gè)面積與美國(guó)一樣大，深度和珠穆朗瑪峰一樣高的臭氧層空洞。

1994年10月，觀測(cè)到臭氧層空洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。1995年觀測(cè)到的臭氧層空洞的發(fā)生天數(shù)是77天，到1996年幾乎南極平流層的臭氧層全部被破壞，臭氧層空洞發(fā)生天數(shù)增加到80天。

1997年至今，科學(xué)家們進(jìn)一步觀測(cè)到臭氧層空洞發(fā)生的時(shí)間也在提前，1998年臭氧層空洞的持續(xù)時(shí)間超過(guò)100天，是南極臭氧層空洞發(fā)現(xiàn)以來(lái)的最長(zhǎng)記錄，而且臭氧層空洞的面積比1997年增大約15%，幾乎相當(dāng)三個(gè)澳大利亞的面積。

2003年8月以來(lái)，南極上空臭氧層空洞迅速形成和擴(kuò)大，目前已危及到美洲大陸最南端的火地島和阿根廷圣克魯斯省南部地區(qū)。這一跡象表明，南極上空臭氧層空洞的損耗狀態(tài)正在惡化之中。

南極臭氧層空洞大約在每年11月中旬開(kāi)始分裂，一些大的分裂片像泡泡一樣向北漂移，威脅著南半球人類居住區(qū)，目前，不僅在南極，包括新西蘭、澳大利亞、南美、南美部分地區(qū)上空平流層臭氧濃度都下降了30%左右，都出現(xiàn)了臭氧層空洞。

多國(guó)聯(lián)合考察隊(duì)觀測(cè)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層空洞三分之一的北極臭氧層空洞。在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原，中國(guó)大氣物理及氣象學(xué)者的觀測(cè)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(jīng)成為大氣層中的第三個(gè)臭氧層空洞。

地球“三極”的臭氧層空洞成因

對(duì)于大氣臭氧層破壞的原因和CO2產(chǎn)生溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境和氣候影響的看法一樣，科學(xué)家界有多重不同見(jiàn)解，但是大多數(shù)人還是認(rèn)為，人類過(guò)多使用CFCS（氯氟烴）等人造化學(xué)物質(zhì)是破壞臭氧層的元兇，具體殺手是CI。

臭氧層空洞的形成是一種與物理化學(xué)、大氣化學(xué)、大氣環(huán)流、氣候環(huán)境和太陽(yáng)紫外輻射、地球磁場(chǎng)等多種因素有關(guān)的、復(fù)雜的大氣現(xiàn)象和過(guò)程。目前對(duì)解釋臭氧層空洞出現(xiàn)的成因和機(jī)理歸納起來(lái)大致有三種觀點(diǎn)。

第一，認(rèn)為動(dòng)力氣象學(xué)上的極地緯向環(huán)流變化造成輸送至南極上空的臭氧減少。第二，認(rèn)為極地冰晶效應(yīng)影響下的多相化學(xué)反應(yīng)引起臭氧的減少。第三，認(rèn)為與太陽(yáng)輻射變化相關(guān)的動(dòng)力氣象因素及光化學(xué)反應(yīng)（包括人類活動(dòng)影響）綜合作用導(dǎo)致臭氧層空洞的形成。

臭氧層空洞的出現(xiàn)是臭氧層中臭氧不斷耗損的結(jié)果。臭氧損耗的原因到底是什么，不同學(xué)者持不同觀點(diǎn)，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為南極上空臭氧層空洞的形成主要作用是工業(yè)文明生產(chǎn)出來(lái)的人造物質(zhì)氟氯烴化合物（如氟利昂）和含溴鹵代烷烴等化學(xué)氣體造成的。它們的化學(xué)性質(zhì)不活潑，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，使它們有足夠的時(shí)間從地表附近持續(xù)不斷地向高空擴(kuò)散到平流層。

這類氣體首先進(jìn)入大氣層的對(duì)流層中，在熱帶地區(qū)上空被大氣環(huán)流混拌，然后再氣流和風(fēng)的作用下，又從低緯度地區(qū)的平流層向高緯度地區(qū)輸送，大概經(jīng)過(guò)13～15年左右時(shí)間就到達(dá)整個(gè)平流層內(nèi)，并均勻混合。在高空的平流層內(nèi)，受到強(qiáng)烈太陽(yáng)紫外線的光解作用下，他們的分子發(fā)生離解，釋放出高活性的原子態(tài)的CI和Br，氯和溴原子又會(huì)使臭氧分子分解成氧分子和氧原子，使臭氧分子遭破壞。

南極上空出現(xiàn)臭氧層空洞，自然而然地使人們想去探討它的對(duì)稱極——北極上臭氧層的變化情況。北極也有與南極相似的物理化學(xué)條件，的確北極也有南極同樣的空氣動(dòng)力學(xué)和化學(xué)過(guò)程。

但是北極與南極自然環(huán)境是不同的，環(huán)境的差異使北極上空臭氧被破壞程度也有差別。南、北的兩極在環(huán)境上的不同概括起來(lái)，一是海拔有高低。二是陸地、海洋面積不同。三是一個(gè)地方的氣溫主要是由當(dāng)?shù)厮@取太陽(yáng)能量多少來(lái)決定的。

研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)在每年的一月至二月生成北極渦旋，并發(fā)現(xiàn)有北極平流層云的存在。在渦旋內(nèi)氯基（CIO·）占氯總量的85%以上，同時(shí)測(cè)到與南極渦旋內(nèi)濃度相當(dāng)?shù)氖卿寤˙ro·）的濃度。但由于北極不存在類似南極的冰川，加上氣象條件的差異，北極渦旋的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)較南極高，而且北極平流層云量也比南極少得多，因此目前北極的臭氧層破壞程度遠(yuǎn)小于南極。

北極地區(qū)的冬季，一方面無(wú)陽(yáng)光照射，臭氧的產(chǎn)量極少，另一方面，其環(huán)極渦旋導(dǎo)致電離層中的離子進(jìn)入平流層，同樣對(duì)臭氧層有破壞作用。但是，由于北極上空的離子為凈正電荷離子，負(fù)電荷離子大大少于南極地區(qū)，使平流層總的氧化環(huán)境沒(méi)有遭到徹底破壞，同時(shí)北極地區(qū)的環(huán)極渦旋強(qiáng)度和持續(xù)的時(shí)間都不及南極，所以北極上空臭氧的損失不如南極厲害，形成的臭氧空洞面積較小，持續(xù)的時(shí)間也較短。

青藏高原上空臭氧的減少明顯不同于南北兩極，它出現(xiàn)在日照量最大、紫外線最強(qiáng)的夏季。這是因?yàn)槿照樟康脑龃蠛妥贤饩€的增強(qiáng)，使青藏高原上的光合作用和光電效應(yīng)顯著增強(qiáng)，青藏高原是離平流層最近的地球“尖端”，這里的光合作用和光電效應(yīng)產(chǎn)生的大量電子很容易抵達(dá)平流層，從而破壞那里的氧化環(huán)境，使臭氧量減少。全球臭氧分布的最低值在熱帶，最高值在極地附近以及我國(guó)。臭氧分布“南低北高”，且“冬季梯度大，夏季梯度小”的總特征與青藏高原臭氧異常低值中心具有類似的起源。青藏高原臭氧每10年減少2．7%，全球減少1%～5%。

臭氧濃度變化的危害及治理

目前全球臭氧層損耗正以每年2%～3%的速度在進(jìn)行。如果任其發(fā)展，在二十一世紀(jì)末，平流層臭氧含量將至目前的一半以上，屆時(shí)，人類將會(huì)面臨一場(chǎng)空前的浩劫！雖然 現(xiàn)在人類對(duì)其嚴(yán)重危害已有認(rèn)識(shí)并且也有行動(dòng)對(duì)策，不會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果，但是臭氧濃度減少或形成空洞的危害卻依然可觀存在。

平流層臭氧濃度變化（減小或形成空洞）的危害，第一，對(duì)人體健康的影響。紫外線會(huì)損傷角膜和眼晶體，如引起白內(nèi)障、眼球晶體變形等。第二，對(duì)生物的影響。臭氧損耗或出現(xiàn)臭氧空洞，UV-B的增加，會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和作物造成直接或間接的影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)減產(chǎn)，作物質(zhì)量下降。

第三，對(duì)建筑、物品和材料的影響。因平流層臭氧損耗，陽(yáng)光中UV-B輻射的增加會(huì)加速建筑繪畫(huà)、噴涂、包裝、橡膠、塑料及電纜等材料的光降解，尤其是高分子聚合材料的降解和老化、變硬、變脆、變質(zhì)孫端使用壽命，使油漆褪色等。

第四，影響大氣質(zhì)量和地球化學(xué)循環(huán)。臭氧耗損和臭氧空洞的發(fā)生，導(dǎo)致全球紫外線UV-B輻射增加后，不僅殺死或抑制海洋表層浮游生物的生長(zhǎng)，水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力降低，而且影響海洋生物鏈。

第五，影響溫室效應(yīng)，加劇氣候變化。平流層中臭氧濃度減少和全球變暖相互間在CO2和臭氧關(guān)系上有復(fù)雜的相互反饋的作用，加強(qiáng)了溫室效應(yīng)。

人們針對(duì)臭氧層空洞的對(duì)策之一是要控制這些耗損臭氧的物質(zhì)作制冷劑，特別是氯氟烴，從被動(dòng)方面是限制生產(chǎn)和使用氯氟烴，并制定限期時(shí)間表，監(jiān)督執(zhí)行，積極行動(dòng)是研制出無(wú)氟的過(guò)度代用品。

首先提高氟氯烴的利用率，降低操作損耗。冷媒、噴霧推進(jìn)劑、發(fā)泡劑為現(xiàn)代人們生活的必須品，人們生活不可能沒(méi)有制冷設(shè)備，要一下子淘汰氟氯烴，是比較困難的，現(xiàn)在的措施是一方面逐步淘汰，減少生產(chǎn)和使用；一方面改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)流程提高利用率。

作好氯氟烴的回收和循環(huán)使用，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于揮發(fā)而損失的，可以通過(guò)碳過(guò)濾器將它回收50%，CFC-12生產(chǎn)中就可以減少50%的排放。

改進(jìn)氟氯烴產(chǎn)品，研制和生產(chǎn)非氟氯烴產(chǎn)品的替代品。經(jīng)科學(xué)工作者的努力，目前已找到了使用丁烷、液化石油氣和異丙醇等取代氯氟烴作為噴霧推進(jìn)劑的方法，也發(fā)展處HCF-123和HCFC-134a等對(duì)臭氧層破壞輕微的化合物，取代CFC-11和CFC-12作為冷媒和發(fā)泡劑等用途，減少對(duì)臭氧的危害。