對地球“兩極”臭氧層嚴重破壞的探究

胡 璇

(華北電力大學環(huán)境科學與工程學院,河北保定 071003)

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對地球“兩極”臭氧層嚴重破壞的探究

胡 璇

(華北電力大學環(huán)境科學與工程學院,河北保定 071003)

臭氧是保護地球生物的一道天然屏障。大氣中臭氧濃度逐年降低、臭氧層破壞,已引起全世界的廣泛關(guān)注。通過研究人員長期的觀察和分析，地球中、高緯度區(qū)上空的臭氧層損耗程度較嚴重，尤其以兩極地區(qū)為甚。就臭氧的生成、性質(zhì)和兩極地區(qū)特殊的地理氣候條件對兩極地區(qū)臭氧層遭受嚴重破壞的原因做出探究。

兩極地區(qū)；臭氧；臭氧層空洞

1992年《21世紀議程》中指出，在過去10年的時間內(nèi)，世界環(huán)境發(fā)生了巨大變化,人類面臨嚴峻的挑戰(zhàn)：人口膨脹、生態(tài)破壞、氣候變化、土地沙漠化等，諸多問題之中就包括了臭氧資源的耗竭。據(jù)有關(guān)資料顯示，從1979年至今，南極上空15～20 km間的低平流層中的臭氧濃度總量減少了30%～40%[1]。而1983年前后，通過氣象衛(wèi)星的觀察，人們首次發(fā)現(xiàn)了南極上空的臭氧層空洞。圖1就表明了近年來南極上空臭氧濃度的變化。

1 臭氧層簡介

1.1 臭氧層的形成原始大氣中氧氣的含量很少，不足以形成如今的富氧大氣圈。如今的富氧大氣圈可以看成是綠色植物光合作用造成的[2]。 太陽的紫外線輻射、雷電、熔巖噴溢作為動力因素加上原始地殼、大氣和水為生命的出現(xiàn)提供了有利的先決條件。大氣中的有機物質(zhì)隨降水進入海洋，地表上的有機物及無機鹽隨地表徑流也進入了海洋，它們在適宜的環(huán)境中逐漸發(fā)展為生命物質(zhì)。綠色植物的出現(xiàn)是生物進化中至關(guān)重要的一環(huán)，綠色植物的光合作用產(chǎn)生了游離的氧。逐漸積累后，大氣層上層的氧通過一系列的光化學反應形成了臭氧。臭氧的形成避免了紫外線對于綠色植物破壞，如此演變及發(fā)展慢慢形成了如今的地球大氣圈。

1.2 臭氧層簡介及功能臭氧層是指大氣平流層中臭氧濃度相對較高的部分，在20～25 km處達到濃度的最大值。但相對于其他的大氣組分來說，臭氧的濃度是很低的，僅占到空氣的千萬分之一。若將大氣層中所有的臭氧集中于海平面處，可形成3 mm厚的薄層。為了方便表示大氣中臭氧的密度，將0 ℃、標準海平面壓力下，10-5m厚的純臭氧定義為一個Dobson單位(DU)。一年中,臭氧平均濃度有明顯的季節(jié)性變化,春季(3月)達最大值,秋季(10月)最小,變化幅度約50 DU[3]。而當某地的臭氧濃度降到220 DU時就認為出現(xiàn)臭氧層空洞。從圖2可知，2002年地球平均臭氧層空洞面積達歷史峰值，1994年平均臭氧濃度降到歷史最低水平。

大氣臭氧層有保護、加熱以及溫室作用，對維護地球生態(tài)平衡發(fā)揮著異常重要的作用。臭氧層能吸收大氣中絕大多數(shù)的UV-B及UV-C，而這兩種紫外線對于生物的殺傷力極強。臭氧層的防護作用保障了地球上的生命免受紫外線的傷害。臭氧吸收紫外線并將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱大氣，正因為臭氧的加熱作用使地球擁有了區(qū)別于其他星球的平流層。如果對流層上部和平流層底部的臭氧濃度降低，就會導致地面的氣溫降低。大氣臭氧層是保障生態(tài)平衡和大氣循環(huán)必不可少的結(jié)構(gòu)。

2 臭氧層破壞機理

在探究地球兩極臭氧層嚴重破壞時，首先需要明確的是臭氧層的破壞機理?？諝庵械难醴肿?O2)受到太陽紫外線的照射會產(chǎn)生氧原子(O)，氧原子再與氧氣分子結(jié)合生成臭氧分子(O3)。同時氧原子可與臭氧1∶1結(jié)合而生成氧分子。大氣中同時存在臭氧的生成和消除反應，正常情況下臭氧消耗處于動態(tài)平衡之中。可是大氣中存在的一些自由基會干擾上面的動態(tài)平衡，氫氧自由基、氮氧化物、氟氯烴(CFCs)等與臭氧發(fā)生鏈式反應，而消除大氣中的臭氧。

2.1 自由基對臭氧的破壞在平流層內(nèi)，高氧化性自由基是破壞臭氧層的主要物質(zhì)，它們以催化的方式，按照下列的反應進行對臭氧的破壞：

Y+O3→ YO+O2

YO+O → Y+O2

Y(自由基分子或原子)對平流層的臭氧分子分解起了重要的催化作用，Y所參與的環(huán)式反應首尾相連，開始消耗的反應物Y又在后面的反應中生成。這樣就造成了臭氧濃度的下降。

2.2 氮氧化物對臭氧的破壞近年來，隨著化石燃料的大量燃燒以及含氮肥料的大量使用，大氣中氮氧化物的濃度逐年增加。在NOx的環(huán)式反應中，NO起催化作用，NO分子與臭氧相結(jié)合生成二氧化氮及氧氣，接著二氧化氮與氧原子結(jié)合生成NO及氧氣。由于NO在大氣中的濃度不斷增加，臭氧在反應中被大量消耗，因此在一定程度上造成了臭氧濃度的降低。

2.3 氟氯烴(CFC)對臭氧的破壞氟氯烴作為一種制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑，廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學品、汽車、消防器材等領(lǐng)域。由于對臭氧層的破壞作用，被《蒙特利爾議定書》列為一類受控物質(zhì)。1974年首次發(fā)現(xiàn)了氯氟烴與臭氧減少的關(guān)系。氟氯烴具有惰性,太陽光的分解作用,雨水沖洗都不能對其產(chǎn)生影響。最終氯氟烴經(jīng)擴散進入平流層，由于穩(wěn)定性，氯氟烴可在大氣中保留達數(shù)十年之久。1931年氟利昂進入商業(yè)化生產(chǎn)，在意識到氟氯烴對于臭氧層的破壞作用后，其用量受到了限制。但是氟氯烴穩(wěn)定的性質(zhì)、其存留于大氣的時間長，這種破壞作用將長期存在。反應機制可見圖3。太陽紫外線能分解氯氟烴。產(chǎn)生的氯原子與臭氧發(fā)生反應,生成游離的氧化氯(CIO)：

Cl+O3→ClO+O

(1)

氧化氯能在很快的時間內(nèi)與氧原子反應,并生成Cl及氧氣：

ClO+O→Cl+O2

(2)

將反應式(1)、(2)結(jié)合，得到總反應：O3+O→2O2。在整個ClOx的環(huán)式反應中，Cl在中間僅起到了催化的作用，本身并未發(fā)生任何的變化。在失去活性之前,每一個氯虛耗子將引發(fā)一個破壞數(shù)十萬個臭氧分子的反應。

3 “兩極”地區(qū)臭氧層嚴重破壞的探討

80年代中期有報道顯示，南極地區(qū)臭氧的濃度在10月(春季)的時候有所下降。在過去10～15年間,每到春天南極上空的平流層臭氧都會發(fā)生急劇耗損,極地上空臭氧層的中心地帶,近95%的臭氧被破壞[5]。衛(wèi)星觀測來的照片顯示，南極地區(qū)大氣層上部形成了一個大的“空洞”，這就是臭氧層空洞名字的由來。1987年10月,南極上空的臭氧濃度減少了近一半。此后南極地區(qū)的臭氧層空洞面積繼續(xù)擴大。同樣北極地區(qū)臭氧濃度在1月期間相較于正常水平也有下降。同樣的高緯度地區(qū)，我國氣象科學院的周秀驥先生發(fā)現(xiàn)青藏高原也存在一個臭氧低值中心。地球兩極或者是我國的青藏高原這些人煙稀少的地區(qū)并未有大規(guī)模的污染源存在，但是地球兩極臭氧層破壞的程度相比于地球其他地方卻更加嚴重。造成這一現(xiàn)象的原因要從氣候地理條件等方面綜合考慮。

3.1 “兩極”地區(qū)的地理氣候條件地球兩極的氣候及地理條件相比于地球其他地方有很大的特殊性，以受破壞程度更加嚴重的南極地區(qū)為例。南極是世界上最寒冷的大陸，歷史最低溫度-88.3 ℃就是在南極地區(qū)監(jiān)測到的。四面環(huán)海的南極又俗稱地球“風極”、“暴風雪之家”。同時，地球兩極等臭氧層破壞嚴重的地方緯度一般較高。

3.2 緯度對于臭氧層破壞的影響根據(jù)美國云雨氣象衛(wèi)星TOMS所提供我國不同緯度間臭氧損耗的數(shù)據(jù)，周秀驥先生等將其換算為我國的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，得到表1。網(wǎng)格距為1°×1.25°,得出了從我國南端北端之間不同緯度地區(qū)臭氧總量月平均值的變化序列,并計算出了其平均年臭氧衰減率[6]。從表1可知，隨著緯度的增加，臭氧的平均年衰減率在增加。從?？诘侥?，臭氧的年平均衰減率擴大了接近10倍。但緯度并非唯一因素，緯度位于昆明、臨安之間的西藏，臭氧年平均衰減率卻高于這兩地?？梢姵司暥鹊淖饔茫€有其他因素影響著臭氧的年平均衰減率。

表1 1979～1991年我國不同緯度臭氧總量平均年遞減率

3.3 海拔對于臭氧層破壞的影響大氣層由上而下可以分為對流層、平流層、中間層、熱層和外溢層。對流層是離地面距離最近的地方，人類活動所排放的有害氣體首先就會進入該層。對流層的空氣對流運動顯著，地面的加熱不均將造成對流層的空氣垂直對流運動，低緯度的空氣對流相較于高緯度來說強。赤道等低緯度地區(qū)因為獲得較多的太陽輻射能，空氣對流運動旺盛，所以上空的空氣對流層較高；兩極地區(qū)因獲得的太陽輻射較少，且空氣對流運動弱，對流層就相對較低[7]。南極地區(qū)的氣溫又相對更低，因此南極地區(qū)的臭氧層破壞更加嚴重。污染物中所含的氟氯烴、氮氧化物等損耗臭氧的物質(zhì)隨大氣環(huán)流擴散，將更容易進入較低的對流層而造成臭氧濃度降低，進一步造成臭氧層空洞。

3.4 其他原因?qū)τ诔粞鯇悠茐牡挠绊憳O地氣候變化莫測，以極地氣旋為例。南極大陸高壓的周圍常年存在著許多極地氣旋，這些極地氣旋有規(guī)律地自西向東移動，是影響南極地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)之一。兩極地區(qū)、德爾海、別林斯高晉海和普里茲灣等海區(qū)，均為氣旋生成和消失的高頻區(qū)。氣旋活動有明顯的季節(jié)性變化。夏季氣旋活躍、氣旋數(shù)偏多，而冬季偏少；過渡季節(jié)接近平均數(shù)。極地氣旋將使冷空氣持續(xù)作用于南極地區(qū)，造成大氣對流運動變緩，使污染物質(zhì)更易進入對流層與臭氧發(fā)生反應。除極地氣旋之外，還存在著其他原因影響著極地地區(qū)臭氧嚴重消耗，由于檢測手段以及相關(guān)資料的缺乏，對于這一現(xiàn)象的探討不能再深入進行。

4 結(jié)語

保護臭氧層最為有效的措施是控制污染源。氟氯烴現(xiàn)在已經(jīng)被限制使用，但是沒有被完全禁止，尋找新的代替物品是當務之急。2000年CFCs、哈龍、四氯化碳等物質(zhì)被全面禁止使用,相關(guān)支持基金于1993年正式開始運行,至1999年已向超過100個發(fā)展中國家發(fā)放了12億美元的贈款,以支持發(fā)展中國家轉(zhuǎn)向采用對臭氧層無害的代替品替代技術(shù)[8]。對于氮氧化物等污染氣體的排放監(jiān)測也應該標準化。汽車單雙號限行、對大型污染企業(yè)的治理等措施應得到實施保障。開展必要的宣傳活動,讓社會與民眾加大對保護臭氧層等環(huán)保問題的重視。

臭氧層問題是一個跨學科、跨國界的全球性重大問題[1]。對全球性的環(huán)境問題不能單靠一個國家的努力，這需要全世界的協(xié)同工作。各國政府以及國際組織應保障環(huán)保工作的進行、科研工作者應該持續(xù)進行相關(guān)研究、普通民眾也應該盡力從自我做起，養(yǎng)成綠色環(huán)保的生活習慣。保護臭氧層是全球人類的共同責任,因為人類賴以生存的地球只有一個。

[1] 夏志強.臭氧層破壞的起因危害及對策[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，1993(4)：37-42.

[2] 陳靜生，汪晉三.地學基礎(chǔ)[M].北京.高等教育出版社，2001.

[3] 謝飛欽，蔡旭暉.東亞地區(qū)大氣整層臭氧濃度的時空變化[J].環(huán)境科學學報，2000(5)：513-517.

[4] 胡耐根.臭氧層破壞對人類和生物的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010(11)：6068-6069，6072.

[5] 佚名.關(guān)于平流層中臭氧及其損耗的科學知識和事實[J].世界環(huán)境，1999(4)：5-6.

[6] 周秀驥，羅超，李唯亮，等.中國地區(qū)臭氧總量變化與青藏高原低值中心[J].科學通報，1995(15)：1396-1398.

[7] 周宏偉，蔣文苑.青海氣象：為什么地球上的“三極”臭氧層破壞嚴重[N].中國環(huán)境報，2001-02-23(4).

[8] 吳香梅.淺談臭氧層破壞的環(huán)境影響及控制對策[J].麗水師范?？茖W校學報，2003(2)：41-43.

On the Serious Damage of Ozonosphere of the Two Poles of Earth

HU Xuan

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University,Baoding, Hebei 071003)

Ozonosphere is a natural shield to protect living things on the earth from being harmed by ultra-violet rays. That ozone concentration in the air is on the decrease year by year and ozonosphere is damaged has received attention from around the world. It is witnessed by long term observation and analysis that ozonosphere in the middle and high latitudes has been consumed seriously, with the two poles of the earth being the most seriously consumed. This paper discusses the formation and characteristics of ozone and the reasons why the ozonosphere of the two poles of the earth has been severely damaged by its special geographical and climate conditions.

The two poles of the earth; Ozone; Ozone hole

胡璇(1994-)，女，安徽巢湖人，本科生，專業(yè)：環(huán)境科學。

2014-12-19

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-263-03