天空之戰(zhàn)

于鵬翔

每一天，我們從明媚的陽光中醒來，呼吸著新鮮的空氣。我們知道：美好的一天又要開始了。但你可能不知道的是，從每天第一縷陽光照射地球開始，在我們的頭頂上方，一場(chǎng)決定地球生命存亡的戰(zhàn)斗也隨即展開。而戰(zhàn)斗的雙方就是陽光中的高能紫外線和地球大氣層中保衛(wèi)我們的臭氧。

氧氣的“好兄弟”

陽光給予了萬物生長(zhǎng)的能量。但是我們能見到的“可見光”只是陽光的一部分，在我們見不到的那部分陽光中，有比可見光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線，也有比可見光波長(zhǎng)更短的紫外線。我們知道，波長(zhǎng)越短，光波的能量越高。一般的紫外線對(duì)人類是有益的，比如它有利于人體的骨骼健康。但是那些能量極高的紫外線卻有著截然不同的特性：它們像肆意燃燒的火焰，會(huì)破壞所遇到的一切生命。具體說來，高能紫外線會(huì)破壞人體的免疫系統(tǒng)、生命細(xì)胞和遺傳物質(zhì)等，甚至讓整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)陷入危機(jī)。

這些高能紫外線時(shí)刻照射著地球，而阻止它們摧殘地球生命的就是我們今天的主角——臭氧。說起臭氧，大家可能有點(diǎn)兒陌生。但是它的“兄弟”你一定很熟悉，那就是大名鼎鼎的“氧氣”。

從1772年瑞典化學(xué)家舍勒發(fā)現(xiàn)氧氣到1777年“現(xiàn)代化學(xué)之父”拉瓦錫為它命名，人們逐漸認(rèn)識(shí)到這種無色無味的氣體對(duì)于生命的重要作用。在此期間，德國(guó)工廠的工人在使用放電機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)：放電機(jī)在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種奇怪的味道。當(dāng)時(shí)的人們還不知道這種味道奇怪的氣體和氧氣有著千絲萬縷的聯(lián)系，但已有人對(duì)這種淡藍(lán)色氣體產(chǎn)生了興趣。

德國(guó)科學(xué)家哈特利將臭氧的顏色形容為“和晴朗天空一樣藍(lán)”。隨后，他還發(fā)現(xiàn)了臭氧與氧氣的關(guān)系：它們都是由氧原子組成。只不過構(gòu)成氧氣分子的是兩個(gè)氧原子，而構(gòu)成臭氧分子的則是三個(gè)氧原子。臭氧是氧氣的同素異形體，也就是由同種元素不同結(jié)構(gòu)組成的意思。臭氧那多出來的一個(gè)氧原子就賦予了它特殊的使命。當(dāng)然，哈特利還不知道這些，但是他發(fā)現(xiàn)了臭氧的特殊能力。

臭氧的“武力值”

在哈特利生活的那個(gè)時(shí)代，人們已經(jīng)知道陽光是由不同波段的光線組成的?？梢姽饽軌虮蝗祟愑萌庋塾^測(cè)到，紅外線和紫外線能夠被儀器捕獲。但是問題來了：在儀器中，可見光、紅外線、一部分紫外線都可以清晰地呈現(xiàn)，但是一部分高能紫外線卻不見蹤影。它們明明是陽光的一部分，卻根本無法在地面被觀測(cè)到。這是怎么回事呢？哈特利猜測(cè)是臭氧將這種高能紫外線攔截了！他用全波段的紫外線照射臭氧，果然，臭氧將那些具有破壞力的高能紫外線截?cái)嗔恕?/p>

后來的大氣研究為我們揭示了更多關(guān)于臭氧的秘密：它們分布在20 000米以上的高空中，形成了包裹地球的臭氧層。在那里，氧氣分子受到太陽輻射分解成氧原子，單個(gè)氧原子與周圍的氧氣分子結(jié)合，就形成了有三個(gè)氧原子的臭氧分子。但是這種結(jié)合并不穩(wěn)定，每當(dāng)臭氧分子與那些高能紫外線相遇時(shí)，就會(huì)射出一個(gè)自由的氧原子，臭氧變回氧氣。在這個(gè)過程中，紫外線會(huì)被消耗掉，而那個(gè)自由的氧原子再與別的氧氣分子結(jié)合，形成新的臭氧分子，虎視眈眈地等待下一次與高能紫外線的相遇。就在我們頭頂上方的天空中，這樣的戰(zhàn)斗日復(fù)一日。我們就生活在臭氧為我們營(yíng)造的安全環(huán)境中。

氧氣與臭氧的相互轉(zhuǎn)化過程

臭氧層破洞

一萬年中，這種勢(shì)均力敵的天空之戰(zhàn)持續(xù)上演。但是在工業(yè)文明飛速發(fā)展的20世紀(jì)初，人類的一項(xiàng)發(fā)明卻打破了戰(zhàn)爭(zhēng)中的平衡。臭氧遭受了來自人類的重大打擊，差點(diǎn)兒灰飛煙滅。當(dāng)時(shí)，電冰箱、空調(diào)等可以制冷的工業(yè)產(chǎn)品在一些發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)被廣泛使用。這些設(shè)備的制冷原理基本上是通過內(nèi)部物質(zhì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變來調(diào)節(jié)溫度的。這些物質(zhì)被叫作“冷媒”。

一開始人們找到的冷媒都含有一些有毒物質(zhì)。后來，發(fā)明家米基利通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一種無毒無害又能高效帶走熱量的物質(zhì)——氟（fú）利昂。隨后，人們又制造出很多與“氟利昂”類似的化學(xué)物質(zhì)，它們被合稱為“氯氟烴（tīng）”?！奥确鸁N”這種物質(zhì)被發(fā)明出來后，因其穩(wěn)定、無毒的特性而被廣泛應(yīng)用在制冷、農(nóng)業(yè)、家具制造等諸多領(lǐng)域。但人們不知道的是，這些本來用于方便人們生活的物質(zhì)會(huì)在天空中變成可怕的臭氧殺手。

幾十年后，在一次對(duì)霧霾的追蹤研究中，人們發(fā)現(xiàn)了氯氟烴的痕跡。一開始，大家并沒有注意到這種人造物質(zhì)。畢竟它無毒又穩(wěn)定，看上去人畜無害。但很快，人們便發(fā)現(xiàn)了問題：正是因?yàn)槁确鸁N的穩(wěn)定性，它可以在空氣中留存很長(zhǎng)時(shí)間，并且隨大氣運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)臭氧層的高度。在這個(gè)高度上，沒有了云霧的干擾，氯氟烴直接與高能紫外線接觸，氯元素就從氯氟烴中分離出來。這些游蕩在大氣中的氯元素一旦遇到臭氧分子就會(huì)掠奪它的氧原子，形成氯和氧的化合物。當(dāng)這種化合物遇到下一個(gè)臭氧分子時(shí)，又會(huì)扯掉其中的一個(gè)氧原子，形成新的氧氣分子。此時(shí)，氯原子重獲自由，再去襲擊其他臭氧分子，重復(fù)這個(gè)過程。在臭氧層中，氯原子無法無天，一個(gè)氯原子可以破壞十萬個(gè)臭氧分子。而臭氧對(duì)這一切都無能為力。當(dāng)時(shí)的科學(xué)家估計(jì)：若這一情況無法盡快改善，到了2050年，地球臭氧層的體積將減少30%，最終全部消失。

1977年，人們通過衛(wèi)星觀察到南極上空的臭氧層在春夏季節(jié)有驟減的趨勢(shì)，而且這種情況逐年惡化。這就是赫赫有名的“臭氧層空洞”。1985年，人們甚至發(fā)現(xiàn)南極的臭氧層厚度減少了70%，最嚴(yán)重時(shí)，空洞面積已經(jīng)超過整片南極大陸。原本人們以為臭氧層空洞只會(huì)發(fā)生在南極，因?yàn)楹涞奶鞖鈺?huì)讓高空云層在南極上空聚集，氯氟烴類物質(zhì)會(huì)在云層表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，侵蝕臭氧層。而北極由于溫度變化更大，通常不會(huì)出現(xiàn)這樣的臭氧層損耗?？刹恍业氖?，近些年北極上空也出現(xiàn)了臭氧層空洞，而且2020年由于強(qiáng)勁的西風(fēng)環(huán)繞北極，將冷空氣困在了極地渦旋中，寒冷的天氣促使高空云層形成，導(dǎo)致臭氧層空洞比往年更嚴(yán)重。那為什么南北極的臭氧層空洞多發(fā)生在春夏季節(jié)呢？這是因?yàn)槁仍鼐拖穸〞r(shí)炸彈，當(dāng)春天來臨時(shí)，陽光中的紫外線就成了引爆炸彈的引信。

臭氧層空洞的真相一下子驚醒了所有人，各國(guó)迅速行動(dòng)起來。1987年9月，聯(lián)合國(guó)邀請(qǐng)一些國(guó)家簽署了著名的《蒙特利爾協(xié)定書》，大家通過約定立即著手減少氯氟烴等破壞臭氧層的物質(zhì)的生產(chǎn)與使用。隨著研究的深入，越來越多的物質(zhì)被列為受控物質(zhì)。

南極臭氧層空洞的變化

雖然，各國(guó)已經(jīng)開始著手解決臭氧層空洞的問題，但之前排放到大氣中的氯氟烴還需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完全降解。人們檢測(cè)到的臭氧層空洞在逐漸減少，但是依然不穩(wěn)定，甚至在2006年還達(dá)到過歷史上的最大值。不過，人類做出的努力并沒有白費(fèi)，對(duì)臭氧層的檢測(cè)和研究受到各國(guó)的重視，替代氯氟烴等物質(zhì)的安全產(chǎn)品也在不斷出現(xiàn)。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，臭氧層會(huì)恢復(fù)如初。

在天是佛，在地是魔

講到這里，你一定覺得臭氧是保衛(wèi)地球家園的大功臣。沒錯(cuò)，處于高層大氣中的臭氧的確功不可沒。但如果它降到我們身邊的低層大氣中，危險(xiǎn)也會(huì)隨之降臨。

隨著工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)在的近地面對(duì)流層中也出現(xiàn)了臭氧的身影。不過，這種臭氧可是“壞分子”，因?yàn)樗鼈冎饕歉黝惞I(yè)污染物、機(jī)動(dòng)車排放的污染物等在高溫、日照下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的“二次污染物”。

不過也不是我們身邊的所有臭氧都是“壞分子”，比如雷雨過后，空氣中就會(huì)有微量臭氧，它們本身淡淡的腥味會(huì)使人感到雨后的空氣特別清新。只不過這樣的臭氧濃度不能太高，因?yàn)橐坏┏粞鯘舛冗^高，就會(huì)產(chǎn)生嗆鼻的味道，而且當(dāng)臭氧濃度超標(biāo)2倍時(shí)，人會(huì)出現(xiàn)頭疼、呼吸器官局部麻痹等癥狀，若人長(zhǎng)時(shí)間接觸高濃度臭氧，還會(huì)引起永久性心臟問題。

所以，有句話用來形容臭氧再恰當(dāng)不過了，那就是“在天是佛，在地是魔”！

臭氧層跌宕起伏的經(jīng)歷其實(shí)只是我們地球維持生命繁衍的一個(gè)縮影。地球?yàn)榱吮Ｗo(hù)我們的生命，不僅要與宇宙中的各種有害射線做斗爭(zhēng)，還要為人類活動(dòng)帶來的污染埋單。幸好，隨著人們對(duì)環(huán)境越來越多的關(guān)注，地球不再孤軍奮戰(zhàn)。相信在大家的共同努力下，我們與地球都會(huì)有一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的未來。