| 词条 | 臭氧空洞 |
| 释义 | § 概述 臭氧空洞Ozone hole指的是因空气污染物质，特别是氧化氮和卤化代烃等气溶胶污染物的扩散、侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象。1984年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：在过去10~15年间，每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，极地上空的中心地带有近 95% 的臭氧被破坏。从地面上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比像是形成一个“洞”， “臭氧洞”由此而得名。 臭氧空洞被定义为臭氧的柱浓度小于200D.U.,也即臭氧的浓度较臭氧空洞发生前减少超过30 %的区域。臭氧空洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧空洞的面积、深度以及延续的时间。[1] 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。 § 臭氧层作用 臭氧层让地球上的生物免遭短波紫外线的伤害 对生命的保护 大气中的臭氧吸收了大部分对生命有破坏作用的太阳紫外线，对地球生命形成了天然的保护作用。太阳紫外线中波长小于290纳米的部分被平流层臭氧分子全部吸收，但波长为290-320纳米，也就是通常所说的UV-B波段的紫外线也有90％被臭氧分子吸收，从而大大减弱了它到达地面的强度。如果平流层臭氧的含量减少，则地面受到的UV-B段紫外辐射的强度将会增加。可以毫不夸在地说，地球上的一切生命就像离不开水和氧气一样离不开大气臭氧层，大气臭氧是地球上一切生灵的保护伞。 对气候的影响 臭氧是引起气候变化的主要因子，同时又是重要的氧化剂，在大气光化学过程中起着重要作用。臭氧吸收了太阳光中的大部分的紫外线并将其转换为热能从而加热大气，也能吸收9-10微米的热红外线，使大气层加热。 正式由于臭氧的这一特性，使得地球上空15～50公里的大气层中存在着升温层（逆温层），因此，臭氧对平流层的温度结构和大气运动起决定性的作用，而大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，臭氧浓度的变化不仅影响到平流层大气的温度和运动，也影响了全球的热平衡和全球的气候变化。除此之外，在对流层中，臭氧因对红外线的吸收作用而被称为温室气体之一。[2] § 形成成因 臭氧形成和破坏机理图 对于臭氧空洞形成的原因，当前有三个学说：化学学说、动力学说和太阳活动学说。 化学学说 从化学学说的角度来讲，由于人类活动大量生产和使用氟利昂，并使之进入大气层中，大气环流携带着人类活动所排放的氟利昂，随赤道附近的热空气上升，分流向两极。由于氟利昂是一种含氯的有机化合物，当它受到短波紫外线的照射，会发生一系列的化学反应，反应过程中消耗掉一部分臭氧。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，如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，释放出活性很强的氯离子（Cl）或溴离子，参与导致臭氧损耗的一系列化学反应： CFxCly → CFxCly-1+Cl Cl+O3 → ClO+O2 O2 → 2O ClO+O → Cl+O2 Cl与O3反应的速度比NO与O3的反应快6倍。反应过程中释放的氯可以在平流层中存在好几年，因此一个Cl能够消耗10万个O3。一般情况下CFCs放出一个氯离子，但是剩下的基团可以通过与氧气等的后续反应，使CFCs中的全部氯都以破坏臭氧层的活动形态放出。因此，形成臭氧空洞。[3] 动力学说 臭氧被破坏的过程 另一种解释是从动力角度进行的。这种观点认为，在南极极夜期间，因中低纬向南极的热量输送效率很低，控制南极上空的极地“旋涡”内部，形成了异常低温环境，光照少，氧分子合成臭氧的光化学作用就会减弱。当极夜结束，春季来临(9月始)，太阳重新越出地平线时，由于集中于平流层中下层的臭氧对太阳辐射的吸收，这一范围的大气被加热，于是该层出现了上升运动。这一上升运动引起的抽吸作用，将对流层臭氧含量低的气体带入了平流层，替代了原来平流层臭氧含量高的气体。这种“抽吸作用”直到11月份才逐渐减弱，此时南极上空臭氧浓度逐渐上升。可见，由于南极春季的这种“抽吸作用”，导致了南极春季臭氧空洞的形成。 太阳活动说 南极地区10月份臭氧平均浓度变化（20世纪60年代～20世纪末） 还有的科学家认为，南极臭氧空洞是太阳活动的结果。他们根据研究发现，臭氧的总量跟太阳黑子的活动有明显的关系，而极地作为地球磁极又是太阳活动反应最敏感的地区，比如极光等都是出现在极地，随着紫外线辐射和高能带电粒子流的增加，使大气中氮氧化合物的含量增加，通过光化学反应，破坏了极地上空的臭氧层。 以上几种理论均有一定的说服力和自身的特点，各自也得到许多科学家的支持，但是目前我们还不能完全肯定某一种而否定另一种。 其他原因 近年来的研究发现，核爆炸、航空器发射、超音速飞机将大量的氮氧化物注入平流层中，也会使臭氧浓度下降。 NO对臭氧层破坏作用的机理为： O3＋NO→O2＋NO2， O＋NO2→O2＋NO, 总反应式为：O＋O3→2O2。[4] § 发展趋势 2011年春季北极上空首现臭氧空洞 根据全球总臭氧观测的结果表明，每到春季南北极上空平流层的臭氧都会发生急剧的大规模耗损。 南极臭氧空洞恶化 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。从那以后，臭氧浓度下降的速度还在加快，有时甚至减少到只剩30%，臭氧洞的面积也在不断扩大。 1994年10月观测到臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。1995年观测到的臭氧洞的天数是77天，到1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏，臭氧洞发生天数增加到80天。1997年，科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前，1998年臭氧洞的持续时间超过100天，是南极臭氧洞发现以来的最长记录，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%，几乎可以相当三个澳大利亚的面积。这一迹象表明，南极臭氧空洞的损耗状况正在恶化之中。 2011年11月，日本气象厅发布的消息称，2011年以来测到的南极上空臭氧层空洞面积的最大值超过去年，已相当于过去10年的平均水平。日本气象厅利用美国航天局的卫星观测数据，发现9月2日南极上空臭氧层空洞的面积达到今年截至目前的最大值2550万平方公里，是南极洲面积的约1.8倍。虽然这个数值低于2000年2960万平方公里的历史最高纪录，却大幅超过2010年南极上空的臭氧层空洞面积2190万平方公里，2010年的这一数值在上世纪90年代以来的观测值中位列倒数第三。[5] 北极首现臭氧空洞1980年～1991年南极10月份南极平均臭氧浓度分布 2011年10月，多国研究人员共同完成并发表在《自然》杂志网站上的报告称，对2011年春天北极上空臭氧观测数据的分析显示，确认北极首次出现了类似南极上空的臭氧空洞，在18到20公里的高空臭氧减少的幅度超过了80%，可谓史无前例。 面积最大时相当于5个德国或美国加利福尼亚州。[6] 青藏高原臭氧总量减少 90年代初，我国北京、昆明、黑龙江、浙江、青海等地臭氧观测结果表明，当地的臭氧总量不断减少。同时青藏高原6至9月形成了大气臭氧低值中心。拉萨地区上空臭氧总量比同纬度地区低11%，且1979年至1991年间臭氧总量平均年递减率达0.35%。国际保护臭氧层专家警告：如果任其发展下去，世界屋脊的上空将继南北两极之后，出现世界第三个臭氧层空洞。[7] § 社会影响 臭氧层中的臭氧能吸收200～300 nm的阳光紫外线辐射，因此臭氧空洞可使阳光中紫外辐射到地球表面的量大大增加，从而产生一系列严重的危害。 阳光紫外线辐射能量很高的部分称EUV，在平流层以上就被大气中的原子和分子所吸收，从EUV到波长等于290nm之间的称为UV-C段，能被臭氧层中的臭氧分子全部吸收，波长等于290～320nm的辐射段称为紫外线B段（即B类紫外线，UV-B），也有90％能被臭氧分子吸收，从而可以大大减弱到达地面的强度。如果臭氧层的臭氧含量减少，则地面受到紫外线B的辐射量增大。 健康影响 B类紫外线灼伤称为B类灼伤，这是紫外线最明显的影响之一，学名为红斑病。UV-B也能损耗皮肤细胞中遗传物质，导致皮肤癌。UV-B的增加还可对眼睛造成损坏，导致白内障发病率增加。UV-B也会抑制人类和动物的免疫力，降低对一些疾病包括癌症、过敏症和一些传染病的抵抗力。发育停滞等疾病也会随着紫外线辐射量的增大而发病率。 生态影响 UV-B的增加，会对自然生态系统和作物造成直接或间接的影响。例如UV-B对20米深度以内的海洋生物造成危害，会使浮游生物、幼鱼、幼蟹、虾和贝类大量死亡，会造成某些生物减少或灭绝，由于海洋中的任何生物都是海洋食物链中重要的组成部分，因此某些种类的减少或灭绝，会引起海洋生态系统的破坏。B类辐射的增加也会损害浮游植物，由于浮游植物可吸收大量二氧化碳，其产量减少，使得大气中存留更多的二氧化碳，使温室效应加剧。 工业影响 UV-B还将引起用于建筑物、绘画、包装的聚合材料的老化，使其变硬变脆，缩短使用寿命等等。另外，臭氧层臭氧浓度降低紫外辐射增强，反而会使近地面对流层中的臭氧浓度增加，尤其是在人口和机动车量最密集的城市中心，使光化学烟雾污染的机率增加，使橡胶、塑料等有机材料加速老化，使油漆褪色等。[8] § 保护对策 自20世纪70年代提出臭氧层正在受到耗蚀的科学论点以来，联合国环境规划署意识到，保护臭氧层应作为全球环境问题，需要全球合作行动，并将此问题纳人议事日程，召开了多次国际会议，为制订全球性的保护公约和合作行动作了大量的工作。 1977年，通过了《臭氧层行动世界计划》，并成立“国际臭氧层协调委员会”。 1985年和1987年分别签署了《保护臭氧层维也纳公约》和《消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。议定书最初的控制时间表是分阶段地减少特定氟利昂的生产和消费量。到20世纪末减至1986年水平的一半。 但是，如果预测大气中包括破坏臭氧物质（有机氯化合物）、全氯浓度今后的动态，则可知即使氟利昂的排 放减半，破坏臭氧层物质依然会持续增加，它们对臭氧层的威胁也会不断增加。因而，为了控制这种趋势，使大气臭氧层的状态恢复到臭氧空洞出现之前的状态，必须全面禁止破坏臭氧层物质的使用。因此1990年６月在伦敦召开的蒙特利尔议定书缔约国会议上，对原议定书进行了大幅度强化控制的修改，提出到2000年要全面禁止特定氟利昂的使用。同时将四氯饿和三氯乙烷增列为新的破坏臭氧层物质，提出这些物质也要在2000年～2005年之间全面禁止使用。 另一方面，由于分子内部含有氢的同类物质（HCF）在对流层中的寿命比较短，只有很少部分能够到达平流层，所以作为“替代氟利昂”进行替代品开发。 但对这些物质，也应当限制其向大气的排放，故决定从1996年开始冻结和阶段性削减生产，直至2020年基本取消，代之以对臭氧层完全无害的物质。鉴于全世纪对环境保护的日益重视，1996年在维也纳公约签署的10周年之际，150多个国家参加的维也纳 臭氧层国际会议规定，将发达国家全面停止使用CFC的期限提前到2000年；发展中国家则在2016年冻结使用，2040年淘汰。我国积极参与了国际保护臭氧层合作，并制订了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》。[9] |
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