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    臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分,其主要作用是吸收短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气,把它分为两个原子,然后每个原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定,紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子,形成一个继续的过程臭氧氧气循环,如此产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地20—50千米的高空。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造。2011年11月1日,日本气象厅发布的消息称,今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年的平均水平值。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 臭氧层 英文名: The ozone layer
    主要作用: 有效地防止紫外线大量摄入地面 制造: 主要是紫外线制造

    目录

    基本简介/臭氧层 编辑

    命名

    人类真正认识臭氧是在150多年以前,德国化学家先贝因(Schanbein)博士首次提出在水电解及火花放电中产生的臭味,同在自然界闪电后产生的气味相同,先贝因博士认为其气味难闻,由此将其命名为臭氧。臭氧层顾名思义,带有微臭,在闪电的时候,有可能会闻到一股怪味,这便是闪电过后产生的。

    大气中的臭氧大气中的臭氧

    形成

    自然界中的臭氧,大多分布在距地面20Km--50Km的大气中,我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道,太阳光线中的紫外线分为长波和短波两种,当大气中(含有21%)的氧气分子受到短波紫外线照射时,氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强,极易与其他物质发生反应。如与氢(H2)反应生成水(H2O),与碳(C)反应生成二氧化碳(C02)。同样的,与氧分子(O2)反应时,就形成了臭氧(O3)。臭氧形成后,由于其比重大于氧气,会逐渐的向臭氧层的底层降落,在降落过程中随着温度的变化(上升),臭氧不稳定性愈趋明显,再受到长波紫外线的照射,再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。

    数据

    在这么广大的区域内,臭氧估计小于大气的十万分之一。如果在0℃的温度下,把地球大气层中所有的臭氧全部压缩到一个标准大气压,则它也只能形成约3毫米厚的一层气体。那么,地球表面是否有臭氧存在呢?回答是肯定的。太阳的紫外线大概有近1%部分可达地面。尤其是在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围的紫外线较多,存在比较丰富的臭氧。

    臭氧层臭氧层

    人类真正认识臭氧是在150多年以前,德国化学家先贝因(Schanbein)博士首次提出在水电解及火花放电中产生的臭味,同在自然界闪电后产生的气味相同,先贝因博士认为其气味类似于希腊文的(意为“难闻”),由此将其命名为臭氧)。臭氧层顾名思义,带有微臭,在闪电的时候,有可能会闻到一股怪味,这便是闪电带下来的。

    自然界中的臭氧,大多分布在距地面20Km--50Km的大气中,我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道,太阳光线中的紫外线分为长波和短波两种,当大气中(含有21%)的氧气分子受到短波紫外线照射时,氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强,极易与其他物质发生反应。如与氢(H2)反应生成水(H2O),与碳(C)反应生成二氧化碳(C02)。同样的,与氧分子(O2)反应时,就形成了臭氧(O3)。臭氧形成后,由于其比重大于氧气,会逐渐的向臭氧层的底层降落,在降落过程中随着温度的变化(上升),臭氧不稳定性愈趋明显,再受到长波紫外线的照射,再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。

    在这么广大的区域内到底有多少臭氧呢?估计小于大气的十万分之一。如果把大气中所有的臭氧集中在一起,仅仅有三公分薄的一层。那么,地球表面是否有臭氧存在呢?回答是肯定的。太阳的紫外线大概有近1%部分可达地面。尤其是在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围的紫外线较多,存在比较丰富的臭氧。

    此外,雷电作用也产生臭氧,分布于地球的表面。正因为如此,雷雨过后,人们感到空气的清爽,人们也愿意到郊外的森林、山间、海岸去吮吸大自然清新的空气,享受自然美景的同时,让身心来一次爽爽快快的“洗浴”,这就是臭氧的功效,所以有人说,臭氧是一种干净清爽的气体。臭氧有极强的氧化性,少量的臭氧会使人感到精神振奋;但过强的氧化性也使其具有杀伤作用。一些过敏体质的人,长时间暴露在臭氧含量超过180微克/立方米的环境,会出现皮肤刺痒、呼吸不畅、咳嗽及鼻炎等症状。

    破坏原因/臭氧层 编辑

    1.当氟氯碳化物漂浮在空气中时,由于受到阳光中紫外线的影响,开始分解释出氯原子出来。

    2.这些氯原子的活性极大,常喜欢与其它物质结合。因此当它遇到臭氧的时候,便开始产生化学变化!

    3.臭氧被迫分解成一个氧原子(O)及一个氧分子(O2),而氯原子就与氧原子相结合。

    4.可是当其它的氧原子遇到这个氯氧化和的分子,就又把氧原子抢回来,组成一个氧分子(O2),而恢复成单身的氯原子就又可以去破坏其它的臭氧了!、

    破会机理/臭氧层 编辑

    气相反应 
    在平流层中,一部分氧气分子可以吸收小于240μm波长的太阳光中的紫外线,并分解形成氧原子。这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧,生成的臭氧可以吸收太阳光而被分解掉,也可与氧原子相结合,再度变成氧分子。其过程可用下面的化学反应方程式来表示: O2+Hυ → 2O? O2+O+M+O3 → M? O3+hυ → J[10]O2+O? O3+O → 2O2 M为反应第三体,它们是氮气和氧气分子,其作用是与生成的臭氧相碰撞,接受过剩的能量以使臭氧稳定。臭氧的浓度取决于上述纯氧反应理论生成反应和消除反应的平衡状态,它可以大体上重现出臭氧浓度的高度分布。但是从定量角度看,这一理论得出的平流层臭氧浓度 是实际臭氧浓度的2倍左右。 ? 纯氧理论出现的问题,主要是没有考虑到大气中的微量成份的催化作用,通过链式反应消除臭氧。其链式反应方程式如下: X+O3→XO+O2? XO+O→X+O2 合计 O+O2→2O2? 其中X为H,OH,NO,Cl。 如果考虑了上述大气中微量成分消除臭氧的反应,再考虑大气运动效果,则大体上可以再现实际的臭氧高度分布。 在平流层中,臭氧的生成和消亡处于动态平衡,正常情况下维持 一定的浓度。 引起破坏 人类生产和使用大量CFCs,因其化学稳定性好、在对流层下不易被分解而进入平流层。到达平流层的CFCs受到短波紫外线UV—C的照射,分解为Cl自由基,参与对臭氧的消耗,见下图。 Cl?自由基消耗臭氧的连锁循环过程如下: CFxCly → CFxCly-1+Cl? Cl+O3 → ClO+O2? O2 → 2O ClO+O → Cl+O2? Cl?自由基与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?自由基能够消耗10万个O3就不足为怪了。 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。 与此类似,臭氧的消耗应反还可以通过溴原子来进行,这些溴原子是从卤代烷灭火剂即哈龙中释放出来的。虽然哈龙对臭氧的破坏能力比CFCs要高,但由于大气中哈龙的浓度要远低于CFCs,整体而言,哈龙对臭氧的破坏要比CFCs小。在我国使用哈龙1211和哈龙1301的数量很大,就其破坏臭氧层的能力而言是CFCs的1/3,其破坏作用不可忽视。 仅仅根据气相反应理论,臭氧减少的最明显的高度应在40km附近。但是实际上臭氧减少趋势最大的高度是20km附近。而20km附近正是臭氧浓度最高的区域,这一事实进一步说明了臭氧层破坏的严重性。这种气相反应经典理论,与实际臭氧层破坏状况不一致的原因现已找到。这是由于破坏臭氧的反应通常是在颗粒状气溶胶表面进行,即非均相反应所造成的。正是非均相反应极大地破坏臭氧层才造成南极“臭氧空洞”。

    破坏影响/臭氧层 编辑

    综述

    臭氧层被大量损耗后,吸收紫外辐射的能力大大减弱,导致到达地球表面的紫外线B明显增加,给人类健康和生态环境带来多方面的的危害,已受到人们普遍关注的主要有对人体健康、陆生植物、水生生态系统、生物化学循环、材料、以及对流层大气组成和空气质量等方面的影响。

    对健康的影响

    阳光紫外线UV-B的增加对人类健康有严重的危害作用。潜在的危险包括引发和加剧眼部疾病、皮肤癌和传染性疾病。对有些危险如皮肤癌已有定量的评价,但其他影响如传染病等仍存在很大的不确定性。实验证明紫外线会损伤角膜和眼晶体,如引起白内障、眼球晶体变形等。据分析,平流层臭氧减少1%,全球白内障的发病率将增加0.6-0.8%,全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10,000到15,000人;如果不对紫外线的增加采取措施,到2075年,UV-B辐射的增加将导致大约1800万例白内障病例的发生。

    紫外线UV-B段的增加能明显地诱发人类常患的三种皮肤疾病。这三种皮肤疾病中,巴塞尔皮肤瘤和鳞状皮肤瘤是非恶性的。利用动物实验和人类流行病学的数据资料得到的最新的研究结果显示,若臭氧浓度下降10%,非恶性皮肤瘤的发病率将会增加26%。另外的一种恶性黑瘤是非常危险的皮肤病,科学研究也揭示了UV-B段紫外线与恶性黑瘤发病率的内在联系,这种危害对浅肤色的人群特别是儿童期尤其严重;

    人体免疫系统中的一部分存在于皮肤内,使得免疫系统可直接接触紫外线照射。动物实验发现紫外线照射会减少人体对皮肤癌、传染病及其他抗原体的免疫反应,进而导致对重复的外界刺激丧失免疫反应。人体研究结果也表明暴露于紫外线B中会抑制免疫反应,人体中这些对传染性疾病的免疫反应的重要性还不十分清楚。但在世界上一些传染病对人体健康影响较大的地区以及免疫功能不完善的人群中,增加的UV-B辐射对免疫反应的抑制影响相当大。

    已有研究表明,长期暴露于强紫外线的辐射下,会导致细胞内的DNA改变,人体免疫系统的机能减退,人体抵抗疾病的能力下降。这将使许多发展中国家本来就不好的健康状况更加恶化,大量疾病的发病率和严重程度都会增加,尤其是包括麻疹、水痘、疱疹等病毒性疾病,疟疾等通过皮肤传染的寄生虫病,肺结核和麻疯病等细菌感染以及真菌感染疾病等;

    对植物的影响

    臭氧层损耗对植物的危害的机制尚不如其对人体健康的影响清楚,但研究表明,在已经研究过的植物品种中,超过50%的植物有来自UV-B的负影响,比如豆类、瓜类等作物,另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的质量将会下降;植物的生理和进化过程都受到UV-B辐射的影响,甚至与当前阳光中UV-B辐射的量有关。植物也具有一些缓解和修补这些影响的机制,在一定程度上可适应UV-B辐射的变化。不管怎样,植物的生长直接受UV-B辐射的影响,不同种类的植物,甚至同一种类不同栽培品种的植物对UV-B的反应都是不一样的。在农业生产中,就需要种植耐受UV-B辐射的品种,并同时培养新品种。对森林和草地,可能会改变物种的组成,进而影响不同生态系统的生物多样性分布。

    UV-B带来的间接影响,例如植物形态的改变,植物各部位生物质的分配,各发育阶段的时间及二级新陈代谢等可能跟UV-B造成的破坏作用同样大,甚至更为严重。这些对植物的竞争平衡、食草动物、植物致病菌和生物地球化学循环等都有潜在影响。这方面的研究工作尚处起步阶段。

    对生态的影响

    世界上30%以上的动物蛋白质来自海洋,满足人类的各种需求。在许多国家,尤其是发展中国家,这一百分比往往还要高。因此很有必要知道紫外辐射增加后对水生生态系统生产力的影响。此外,海洋在与全球变暖有关的问题中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大气中二氧化碳的一个重要去除途径,它们对未来大气中二氧化碳浓度的变化趋势起着决定性的作用。海洋对CO2气体的吸收能力降低,将导致温室效应的加剧。

    海洋浮游植物并非均匀分布在世界各大洋中,通常高纬度地区的密度较大,热带和亚热带地区的密度要低10到100倍。除可获取的营养物,温度,盐度和光外,在热带和亚热带地区普遍存在的阳光UV-B的含量过高的现象也在浮游植物的分布中起着重要作用。

    浮游植物的生长局限在光照区,即水体表层有足够光照的区域,生物在光照区的分布地点受到风力和波浪等作用的影响。另外,许多浮游植物也能够自由运动以提高生产力以保证其生存。暴露于阳光UV-B下会影响浮游植物的定向分布和移动,因而减少这些生物的存活率。

    研究人员已经测定了南极地区UV-B辐射及其穿透水体的量的增加,有足够证据证实天然浮游植物群落与臭氧的变化直接相关。对臭氧洞范围内和臭氧洞以外地区的浮游植物生产力进行比较的结果表明,浮游植物生产力下降与臭氧减少造成的UV-B辐射增加直接有关。一项研究表明在冰川边缘地区的生产力下降了6-12%。由于浮游生物是海洋食物链的基础,浮游生物种类和数量的减少还会影响鱼类和贝类生物的产量。据另一项科学研究的结果,如果平流层臭氧减少25%,浮游生物的初级生产力将下降10%,这将导致水面附近的生物减少35%。

    研究发现阳光中的UV-B辐射对鱼、虾、蟹、两栖动物和其它动物的早期发育阶段都有危害作用。最严重的影响是繁殖力下降和幼体发育不全。即使在现有的水平下,阳光紫外线B已是限制因子。紫外线B的照射量很少量的增加就会导致消费者生物的显着减少。

    尽管已有确凿的证据证明UV-B辐射的增加对水生生态系统是有害的,还只能对其潜在危害进行粗略的估计。

    对循环的影响

    阳光紫外线的增加会影响陆地和水体的生物地球化学循环,从而改变地球--大气这一巨系统中一些重要物质在地球各圈层中的循环,如温室气体和对化学反应具有重要作用的其他微量气体的排放和去除过程,包括二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氧硫化碳(COS)及O3等。这些潜在的变化将对生物圈和大气圈之间的相互作用产生影响。对陆生生态系统,增加的紫外线会改变植物的生成和分解,进而改变大气中重要气体的吸收和释放。当紫外线B光降解地表的落叶层时,这些生物质的降解过程被加速;而当主要作用是对生物组织的化学反应而导致埋在下面的落叶层光降解过程减慢时,降解过程被阻滞。植物的初级生产力随着UV-B辐射的增加而减少,但对不同物种和某些作物的不同栽培品种来说影响程度是不一样的。

    在水生生态系统中阳光紫外线也有显着的作用。这些作用直接造成UV-B对水生生态系统中碳循环、氮循环和硫循环的影响。UV-B对水生生态系统中碳循环的影响主要体现于UV-B对初级生产力的抑制。在几个地区的研究结果表明,现有UV-B辐射的减少可使初级生产力增加,由南极臭氧洞的发生导致全球UV-B辐射增加后,水生生态系统的初级生产力受到损害。除对初级生产力的影响外,阳光紫外辐射还会抑制海洋表层浮游细菌的生长,从而对海洋生物地球化学循环产生重要的潜在影响。阳光紫外线促进水中的溶解有机质(DOM)的降解,使得所吸收的紫外辐射被消耗,同时形成溶解无机碳(DIC)、CO以及可进一步矿化或被水中微生物利用的简单有机质等。UV-B增加对水中的氮循环也有影响,它们不仅抑制硝化细菌的作用,而且可直接光降解象硝酸盐这样的简单无机物种。UV-B对海洋中硫循环的影响可能会改变COS和二甲基硫(DMS)的海-气释放,这两种气体可分别在平流层和对流层中被降解为硫酸盐气溶胶。

    对材料的影响

    因平流层臭氧损耗导致阳光紫外辐射的增加会加速建筑、喷涂、包装及电线电缆等所用材料,尤其是高分子材料的降解和老化变质。特别是在高温和阳光充足的热带地区,这种破坏作用更为严重。由于这一破坏作用造成的损失估计全球每年达到数十亿美元。无论是人工聚合物,还是天然聚合物以及其它材料都会受到不良影响。当这些材料尤其是塑料用于一些不得不承受日光照射的场所时,只能靠加入光稳定剂或进行表面处理以保护其不受日光破坏。阳光中UV-B辐射的增加会加速这些材料的光降解,从而限制了它们的使用寿命。研究结果已证实短波UV-B辐射对材料的变色和机械完整性的损失有直接的影响。

    在聚合物的组成中增加现有光稳定剂的用量可能缓解上述影响,但需要满足下面三个条件:①在阳光的照射光谱发生了变化即UV-B辐射增加后,该光稳定剂仍然有效;②该光稳定剂自身不会随着UV-B辐射的增加被分解掉;③经济可行。利用光稳定性更好的塑料或其他材料替代现有材料是一个正在研究中的问题。然而,这些方法无疑将增加产品的成本。而对于许多正处在用塑料替代传统材料阶段的发展中国家来说,解决这一问题更为重要和迫切。

    对空气的影响

    平流层臭氧的变化对对流层的影响是一个十分复杂的科学问题。一般认为平流层臭氧的减少的一个直接结果是使到达低层大气的UV-B辐射增加。由于UV-B的高能量,这一变化将导致对流层的大气化学更加活跃。首先,在污染地区如工业和人口稠密的城市,即氮氧化物浓度较高的地区,UV-B的增加会促进对流层臭氧和其它相关的氧化剂如过氧化氢(H2O2)等的生成,使得一些的城市地区臭氧超标率大大增加。而与这些氧化剂的直接接触会对人体健康、陆生植物和室外材料等产生各种不良影响。在那些较偏远的地区,即NOx的浓度较低的地区,臭氧的增加较少甚至还可能出现臭氧减少的情况。但不论是污染较严重的地区还是清洁地区,H2O2和OH自由基等氧化剂的浓度都会增加。其中H2O2浓度的变化可能会对酸沉降的地理分布带来影响,结果是污染向郊区蔓延,清洁地区的面积越来越少。

    其次,对流层中一些控制着大气化学反应活性的重要微量气体的光解速率将提高,其直接的结果是导致大气中重要自由基浓度如OH基的增加。OH自由基浓度的增加意味着整个大气氧化能力的增强。由于OH自由基浓度的增加会使甲烷和CFC替代物如HCFCs和HFCs的浓度成比例的下降,从而对这些温室气体的气候效应产生影响。

    而且,对流层反应活性的增加还会导致颗粒物生成的变化,例如云的凝结核,由来自人为源和天然源的硫(如氧硫化碳和二甲基硫)的氧化和凝聚形成。尽管对这些过程了解的还不十分清楚,但平流层臭氧的减少与对流层大气化学及气候变化之间复杂的相互关系正逐步被揭示。

    作用/臭氧层 编辑

    大气臭氧层主要有三个作用。其一为保护作用,臭氧层能够吸收太阳光  臭氧层阻挡紫外线 中的波长306.3nm以下的紫外线,主要是一部分UV—B(波长290~300nm)和全部的UV—C(波长<290nm=,保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B能够辐射到地面,长波紫外线对生物细胞的伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍 。其二为加热作用,臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气,由于这种作用大气温度结构在高度50km左右有一个峰,地球上空15~50km存在着升温层。正是由于存在着臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气,所以也就不存在平流层。 大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响,这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。其三为温室气体的作用,在对流层上部和平流层底部,即在气温很低的这一高度,臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少,则会产生使地面气温下降的动力。因此,臭氧的高度分布及变化是极其重要的。 流层中的臭氧吸收掉太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害波长的紫外线辐射(240-329纳米,称为UV-B波长),为地球提供了一个防止紫外辐射有害效应的屏障。但另一方面,臭氧遍布整个对流层,却起着温室气体的不利作用。在平流层中臭氧耗损,主要是通过动态迁移到对流层,在那里得到大部分具有活性催化作用的基质和载体分子,从而发生化学反应而被消耗掉。臭氧主要是与HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活泼自由基发生同族气相反应。

    测量/臭氧层 编辑

    臭氧的测量包括铅直气柱中臭氧总量的测量和臭氧浓度铅直分布的测  臭氧层空洞对地球的危害示意图 量两种。测量方法分直接法和间接法:前者对臭氧进行采样分析;后者在臭氧层外进行测量,大都用光谱分析方法。臭氧测量结果,除采用通常的单位表示外,还用多布森单位,记为DU,它等于千分之一厘米(标准状态臭氧层厚)。 臭氧间接测量法:光谱分析法是观测穿过大气层的太阳直射光或散射光的光谱,然后计算出臭氧含量及其铅直分布。在臭氧吸收带中(见大气臭氧层),太阳直射光或散射光穿过大气层,受到臭氧分子的吸收,并受到气体分子和气溶胶粒子的散射。波长为λ的单色太阳光,通过大气层时辐射强度的削弱服从比尔定律。测量臭氧的常用光学仪器有多布森分光光度计和M-83滤光片臭氧仪。多布森分光光度计被认为是测量臭氧的标准仪器。其他类型的仪器都必须定期用它校准。M-83滤光片臭氧仪主要在苏联和欧洲的部分国家使用。用气象卫星也可以测得全球臭氧的分布。如雨云4号卫星上用后向散射紫外光谱仪和红外干涉光谱仪进行大气臭氧的观测。前者测量大气对太阳光的后向紫外散射,它接收2500~3400埃中12个波段的紫外光谱,由此反演出大气臭氧含量全球的分布;后者除了测量大气温度和湿度外,还测量大气臭氧(9.6微米波段,在此波  国际保护臭氧层日相关图片 段中接收 4个波长的辐射)。将这两种光谱仪结合起来,可以探测大气臭氧浓度随高度的分布,例如在雨云 6号卫星上,有临边辐射反演辐射仪(LRIR),它接收大气臭氧9.6微米辐射带的信息,用辐射传输方程反演,可获得臭氧的铅直分布。 臭氧直接测量法 用电化学或化学发光方法测量臭氧含量,可不受大气透明度和天气条件的限制,白天或黑夜均可进行观测。 臭氧测量方法各有优缺点,常常要用多种方法互相补充,互相比较,以求获得完整可靠的资料。

    破坏现状/臭氧层 编辑

    臭氧(O3)是氧元素的同素异形体,它的化学性质十分活泼,很容易跟其他物质发生化学反应。实际上,在臭氧层内,臭氧的形成是众多物质参与,一系列化学反应达到化学平衡的结果。臭氧在遇到H、OH、NO、Cl、Br时,就会被催化,加速分解为O2。氯氟烃之所以被认为是破坏臭氧层的物质就是因为它们在在太阳辐射下分解出Cl和Br原子。

    1984年,英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。1985年,美国的 “雨云-7号”气象卫星测到了这个臭氧洞。

    1985 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%,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”,直径达上千公里,“臭氧洞”由此而得名。卫星观测表明,此洞复盖面积有时比美国的国土面积还要大。到 1998 年臭氧空洞面积比 1997 年增大约 15%,几乎相当于三个澳大利亚大。前不久,日本环境厅发表的一项报告称,1998 年南极上空臭氧空洞面积已达到历史最高记录,为 2720 万平方公里,比南极大陆还大约 1 倍。

    臭氧层臭氧层

    美、日、英、俄等国家联合观测发现,近年来,北极上空臭氧层也减少了 20%。在被称为是世界上“第三极”的青藏高原,中国大气物理及气象学者的观测也发现,青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度减少。根据全球总臭氧观测的结果表明,除赤道外,1978 - 1991 年总臭氧每 10 年间就减少 1% - 5%。尽管人们已签署了《蒙特利尔协定书》,但每年春天,在地球的两个极地的上空仍再次形成臭氧层空洞,北极的臭氧层损失20%到30%,南极的臭氧层损失51%以上。

    破坏危机/臭氧层 编辑

    臭氧层耗竭,会使太阳光中的紫外线大量辐射到地面。紫外线辐射增强,对人类及其生存的环境会造成极为不利的后果。有人估计,如果臭氧层中臭氧含量减少10%,地面不同地区的紫外线辐射将增加19%~22%,由此皮肤癌发病率将增加15%~25%.另据美国环境局估计,大气层中臭氧含量每减少1%,皮肤癌患者就会增加10万人,患白内障和呼吸道疾病的人也将增多。系外线辐射增强,对其他生物产生的影响和危害也令人不安。有人认为,臭氧层被破坏,将打乱生态系统中复杂的食物链,导致一些主要生物物种灭绝。臭氧层的破坏,将使地球上三分之二的农作物减产,导致粮食危机。紫外线辐射增强,还会导致全球气候变暖。

    纪念日/臭氧层 编辑

    综述

    1995年1月23日,联合国大会通过决议,确定从1995年开始,每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。旨在纪念1987年9月16日签署的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,要求所有缔约国根据“议定书”及其修正案的目标,采取具体行动纪念这一特殊的日子。

    确立历史背景

    臭氧层臭氧层

    臭氧层破坏是当前面临的全球性环境问题之一,自70年代以来就开始受到世界各国的关注。联合国环境规划署自1976年起陆续召开了各种国际会议,通过了一系列保护臭氧层的决议。尤其在1985年发现了在南极周围臭氧层明显变薄,即所谓的“南极臭氧洞”问题之后,国际上保护臭氧层的呼声更加高涨。

    1976年4月,联合国环境署理事会决定召开一次“评价整个臭氧层”国际会议之后,于1977年3月在美国华盛顿召开了有32个国家参加的“专家会议”。会议通过了第一个“关于臭氧层行动的世界计划”。这个计划包括监测臭氧和太阳辐射、评价臭氧耗损对人类健康的影响、对生态系统和气候的影响,以及发展用于评价控制措施的费用及益处的方法等,并要求联合国环境署建立一个臭氧层问题协调委员会。这个计划提出了对受控物质生产和使用的控制。

    1980年,协调委员会提出了臭氧耗损严重威胁着人类和地球生态系统这一评价结论。

    1981年,联合国环境署理事会建立了一个工作小组,其任务是筹备保护臭氧层的全球性公约。

    经过4年的艰苦工作,1985年3月在奥地利首都维也纳通过了有关保护臭氧层的国际公约----《保护臭氧层维也纳公约》,该公约从1988年9月起生效。这个公约只规定了交换有关臭氧层信息和数据的条款,但对控制消耗臭氧层物质的条款却没有约束力。《公约》的宗旨和原则是正确的,促进了各国就保护臭氧层这一问题的合作研究和情报交流。

    在《保护臭氧层维也纳公约》的基础上,为了进一步对氯氟烃类物质进行控制,在审查世界各国氯氟烃类物质生产、使用、贸易的统计情况的基础上,通过多次国际会议协商和讨论,于1987年9月16日在加拿大的蒙特利尔会议上,通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,并于1989年1月1日起生效。

    “蒙特利尔议定书”规定,参与条约的每个成员组织(国家或国家集团)将冻结并依照缩减时间表来减少5种氟利昂的生产和消耗;冻结并减少3种溴代物的生产的消耗。

    5组氟利昂的大部分消耗量,将从1989年7月1日起,冻结在1986年使用量的水平上;从1993年7月1日起,其消耗量不得超过1986年使用量的80%;从1998年7月1日起,减少到1986年使用量的50%。

    “蒙特利尔议定书”实施后的调查表明,根据议定书规定的控制进程并不理想。

    1989年3-5月,联合国环境署连续召开了保护臭氧层伦敦会议与“公约”和“议定书”缔约国第一次会议——赫尔辛基会议,进一步强调保护臭氧层的紧迫性,并于1989年5月2日通过了《保护臭氧层赫尔辛基宣言》,鼓励所有尚未参加《保护臭氧层维也纳公约》及《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的国家尽早参加;同意在适当考虑发展中国家特别情况下,尽可能地但不迟于2000年取消受控氯氟烃类物质的生产和使用;尽可能早地控制和削减其它消耗臭氧的物质;加速替代产品和技术的研究与开发;促进发展中国家获得有关科学情报、研究成果和培训,并寻求发展适当资金机制促进以最低价格向发展中国家转让技术和替换设备。

    1990年6月20-29日,联合国环境规则署在伦敦召开了关于控制消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约国第二次会议。57个缔约国中的53个国家的环境部长或高级官员及欧共体代表参加了会议。此外,还有40个非缔约国的代表参加了会议。这次大会又通过了若干补充条款,修正和扩大了对有害臭氧层物质的控制范围,受控物质由原来的2类8种扩大到7类上百种。规定缔约国在2000年或更早的时间里淘汰氟利昂和哈龙。到1995年,四氯化碳将减少85%;到2000年将全部淘汰。到2000年,三氯乙烷将减少70%;2005年以前全部淘汰。

    氮的氧化物同样也会破坏臭氧层。

    臭氧层与生命

    臭氧层臭氧层

    1995年诺贝尔化学奖授于对臭氧层的浓度平衡机制研究卓有成效的3位大气化学家,克鲁岑、罗兰和莫里那。从1840年Soh” nbein发现臭氧气体至今已157年,在这漫长的岁月中,随着科学及测量技术的不断进步,人类对臭氧层的认识日益深入,其中有著名的Chapman臭氧层光化学理论(1930年)及罗兰-莫里那理论(1974年)。1985年,法曼发现南极臭氧层有严重损失,1995年初,美国太空总署发布了卫星遥感测量结果,证实了罗兰-莫里那理论,使人们认识到臭氧层对于生命、全球气候以及人类的未来至关重要。

    在地球的大气层中,臭氧(O?)的含量极少,仅占空气的几百万分之一,主要集中在离地面10~50km的平流层,臭氧和氧气是氧元素的同素异构体,呈淡蓝色,因有一种鱼腥臭味,故名臭氧。1930年首次提出了高空臭氧形成和破坏的理论,认为,臭氧的形成及破坏均与太阳中紫外辐射有关。

    氧及臭氧层的出现是生物进化发展的一个非常重要的转折点。据考,约25亿年前,地球不存在气体氧或很少,因而太阳中的紫外辐射可直接到达地球表面,太阳辐射的总能量中,紫外区段占到近1.5%。高能量的紫外辐射对化学进化乃至生命诞生的化学反应起到很重要的作用,尤其是240~290纳米的紫外区段对今天的生命本质物质——核酸和蛋白质有严重的破坏作用,假如没有臭氧层挡住紫外辐射,地球陆地上将荒芜一片,任何形式的生命在陆地上断难存在,这或许是生命诞生于原始海洋中的原因之一,有些科学家就曾提出,在原始海洋中的一定深度——足以过滤大多数紫外辐射,留下充分的紫外辐射来促成生命前驱的化学反应。

    另外,有资料表明,生命在34亿年前就已发生,那时的生命只能存在于海洋中,以防止紫外辐射的灼伤致死。其次,其进化速度与后来的生物相比甚为缓慢,因为海洋环境较之陆地环境稳定而均一得多。然而,海洋中的有机物毕竟是有限的,栖息于海洋中的原始生物生息发展最终会因食物匮乏而面临灭顶这灾,在这严重的选择压力下,能进行光合作用自己制造营养的自养生物诞生了,它们固定太阳能,用CO2合成营养,同时放出O2。由于自养生物不断发展,地球大气中O2的浓度不断升高,当时地球上的原始生物,绝大多数是厌氧的,然而为了生存,有许多形式的生命被迫接受了O2。这样,O2的大量出现,改变了生物进化的过程,第一,接受了O2的生物由原来的无氧呼吸变成了有氧呼吸,呼吸效率因此而提高了大约19倍,得到迅速而蓬勃的发展;第二,大量氧气吸收紫外辐射在地球中层大气形成了臭氧层,为海栖生物登陆发展提供了前所未有的“安全”环境,确实,当初简单的动物正是有氧后出现并得到进化发展的。在这漫长的二十几亿年的发展中,生命不知经历了多少次的兴衰。然而其间无论是旧种的灭绝,还是新种的诞生,除极少数生命早期遗留下来的厌氧种外,其余无一例外都是需氧的,尤其是产氧的绿色植物的繁荣发展,使臭氧层与生物相互依赖到了如今。然而,臭氧层越来越受到人类活动的威胁。1985年,英国的约瑟夫·法曼在《自然》杂志上发表了他在南极做了近30年的臭氧观测结果,南极的臭氧浓度在几年间剧降了50%。高空臭氧本身存在自然的生成和破坏的动态平衡机制,然而随着人类工业文明的高度发展,这种平衡正在被人类所打破,尤其是本世纪以来,人造的氯氟碳化物,如CFC-11及CFC-12(俗称氟城昂)等,被广泛用作气雾剂、烟雾剂的压缩气体、泡沫充填材料及冰箱等的制冷介质。这些氯氟碳化物会在产品使用过程中或寿命结束后,被排放到大气中。由于此类物质性质极稳定,唯一的损失途径是紫外辐射照射下分解。当它们飘至臭氧层上空,高能的紫外辐射破坏其碳氯键,释放出氯原子。氯原子像催化剂一样,使臭氧破坏而消耗,即 Cl+O?→ClO+O?,ClO+O→Cl+O?。据计算,平均一个氟原子可以消耗10万个臭氧分子。对臭氧层有严重影响的还有氮氧化物,最明显的是NO。NO的来源主要是微生物的活动及飞机和汽车发动机产生的。此外,甲烷也被认为是对臭氧层破坏有重要影响的物质。据科学家估算,高空臭氧每减少1%,就会有额外2%的紫外辐射到达地球表面。这些紫外辐射会严重损伤动植物,并使人类皮肤癌的患病率大大提高。

    臭氧层除了屏蔽大量太阳中的紫外辐射外,还参与了大气环流。臭氧的减少,不仅直接给地球上的生命带来惨重的损失,而且使地球大气低层变暖、高层变冷,加重温室效应,从而导致地球气候和大气形式的更大变化。

    大气臭氧研究在国际组织的协调下显得十分活跃。相信在21世纪人类定会为保护臭氧层做出卓有成效的努力。

    相当于催化臭氧分解成为氧气,又让人类提高了生活水平。

    人类不断向地球排放二氧化碳等废气,把大气弄脏了,使地球像在大热天里穿了一件脏棉袄,体温不断地升高。过往我们在冬天穿大棉袄,戴棉手袜,只穿一件毛衣也不觉得冷,这就是臭氧层被破坏的表现。由于各种废气的排放,使臭氧层产生了“空洞。臭氧层的作用很大:臭氧层能够吸收太阳光中的波长300 μm以 下的紫外线,保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。所以臭氧层犹如一件宇宙服保护地球上的生物。

    北极臭氧/臭氧层 编辑

    北极疑似出现臭氧层?

    科学家们总是在不断的探寻,带给我们许多新的自然资讯。科学家发现,北极地区同温层云的出现频率越来越频繁,它将引发破坏臭氧层的化学变化。

    近几十年来,北极地区的臭氧总量是减少的,尽管这一带曾出现惊险空前的臭氧低值区,但是未达到“洞”的标准。那么,北极是否会出现臭氧洞?极地臭氧洞的出现会带来哪些新问题?

    南极科考队员正在释放一个热气球,以检测当地大气层中的臭氧层和温室气体排放量。

    北极臭氧层北极臭氧层

    “低值区”未必就是“洞”

    与南极的臭氧相比,北极的臭氧似乎更有几分神秘感。特别是2011年春季,北极地区出现臭氧低值区,臭氧损耗创下历史新高。

    一时间,“北极首个臭氧空洞已经形成”、“史上最大北极臭氧空洞引发科学家担心,面积大如美国大陆”等报道铺天盖地,众说纷纭。

    陆龙骅是中国气象科学研究院研究员,多年从事极地气象研究,曾5次赴南北极科学考察,对于极地地区的臭氧做了大量的研究。虽然此前国内外都有媒体报道“北极首现臭氧洞”,但他认为“很多媒体对此的报道并不确切”。

    “从目前观测资料来讲,只有南极上空出现臭氧洞,北极上空及青藏高原上空出现过臭氧低值区,在某一地区相对其他地区来讲臭氧总量的含量要相对较低,但从气候平均值来看,没有低于220多普森单位(DU)。严格意义来讲,除了南极以外其他地区还没有发现臭氧洞的存在。”中国科学院研究员高登义研究员表示。

    陆龙骅认为,“臭氧洞是有严格科学定义的,并不是所有的臭氧低值区都能称为臭氧洞。”以南极春季出现的臭氧洞为例,“南极臭氧洞”至少有三个特点:一是臭氧数值低,应在220 DU以下;二是低值区(低于220 DU)范围大,常超过百万平方公里;三是低值持续时间长,常为2到4个月左右。

    由此,他认为,从严格的科学意义上来讲,不能说“北极首个臭氧洞已经形成”,迄今为止,在北极还并未出现过臭氧洞。

    北极出“洞”并非不可能

    “关于南极臭氧洞的成因,目前全世界各国科学家普遍接受的解释是,南极臭氧洞是由臭氧消耗物质在南极特殊的气象条件下形成的。”中国气象局国家卫星气象中心副研究员王维和介绍说。

    南极臭氧洞是大气动力、光化学和平流层冰晶云等因素相互作用和影响的产物;也与大气环流, 特别是平流层极地涡旋的活动密切相关。用大气动力学、太阳活动及大气化学等单个因素都无法圆满地解释南极臭氧洞形成的原因。

    “南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。春季南极臭氧洞的出现,有两个条件,二者缺一不可。”陆龙骅表示。

    大气中存在人类活动排放的氟利昂和滨化烃等消耗臭氧层物质(人为因素),是春季南极臭氧洞形成的基础条件;春季南极平流层极地涡旋中的低温( 自然因素),是南极春季臭氧洞形成的必要条件。只有在平流层冰晶云表面吸附了大气污染物质,才能通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞。

    陆龙骅指出,依据南极臭氧洞形成的两个条件,可以解释为什么到目前为止,只是在南极上空春季出现了臭氧洞,在北极和青藏高原上空并没有出现臭氧洞。尽管北极更加接近人类活动地区,北极大气中污染物浓度也比较高,但是北极地区不满足或者很难满足形成臭氧洞的平流层极涡中低温的必要条件。

    南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆,而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。海陆分布的差异,对气候和大气环流产生了很大影响。在陆龙骅看来,北极春季没有臭氧洞,与北极春季平流层温度高于南极春季、平流层冰晶云等很少出现,以及北极地区大气臭氧的本底值较高有关。

    陆龙骅表示,虽然当前北极并未形成真正意义上的臭氧“空洞”,但是在1997年和2011年北极臭氧的化学亏损基本上达到了生成臭氧洞的边缘,这引起大家的高度重视。如果由于气候变化,使北极平流层温度更低,时间持续更长,那么在极端情况下,出现北极臭氧洞的可能性也不能排除。

    臭氧层臭氧层

    事实上,最近几年发现,在北极地区或北半球中高纬地区,偶尔也会出现臭氧小洞。这种现象大都出现在冬季,且在北大西洋和北欧出现的次数比北太平洋和北美地区多,此外在我国青藏高原也曾出现过。臭氧小洞与天气系统有关,是动力原因产生的,“小洞”的空间尺度大都在1000千米以下,维持时间很短,大多仅1到数天。臭氧小洞的产生原因与春季南极臭氧洞不同,而且其时间、空间尺度也无法与春季南极臭氧洞相比,不能相提并论,不能简单地称之为臭氧洞。

    事记/臭氧层 编辑

    1987年9月8-16日,中国派代表出席了在加拿大蒙特利尔市召开的《保护臭氧层公约关于含氯氟烃议定书全权代表大会》。 1989年3月5-7日,中国在伦敦“臭氧层和氯氟烃类物质的部长级会议”上,阐明了中国对待环境问题的原则立场和保护臭氧层的积极态度,指出发达国家应承担臭氧层破坏的主要责任。

    1989年9月11日中国签署加入《关于保护臭氧层的维也纳公约》。

    1991年6月,中国加入了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》伦敦修正案,承诺淘汰CFC及Halon等生产与消费的义务。

    1993年1月12日国务院批准《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》。

    1995年5月29日化工部发出《关于加强氯氟烃扩产建设管理的通知》,严格控制氯氟烃的扩产建设。

    1995年6月12-14日,在西安召开的《中国淘汰消耗臭氧层物质行业战略国际研讨会》上,研讨了“中国化工生产行业淘汰ODS战略”,提出生产和消费行业在保护臭氧层活动中有同等权利得到多边基金资助的意见。

    1997年5月国家环保局与公安部消防局联合组建第一个行业整体淘汰ODS特别工作组。

    1997年11月在多边基金执委会第23次会议上,执委会批准“中国消防行业哈龙整体淘汰计划”,总金额6200万美元。

    1997年12月3日,国家环境保护局与公安部联合发布了《关于实施哈龙灭火剂生产配额许可证管理的通知》,对哈龙生产实施配额许可证管理。

    1998年3月国家环保局与国家石化局联合组建化工行业整体淘汰ODS特别工作组,共同开发CFC生产行业计划。

    1999年3月在多边基金执委会第27次会议上,“关于中国化工行业整体淘汰CFC计划”获得批准。

    1999年5月31日,国家环境保护总局与原国家石油和化学工业局联合发布了《关于实施全氯氟烃产品(CFCs)生产配额许可证管理的通知》,对CFC生产实施配额许可证管理。

    在2004年11月召开的第44次执委会上,中国与执委会达成了《关于中国CFCs/CTC/Halon加速淘汰的协议》。

    2005年12月31日,最后2家哈龙1211生产线停止生产,标志着中国已经完成了哈龙1211生产的全部淘汰。

    到2007年,哈龙行业计划通过10年实施,哈龙1211生产装置已全部拆除,哈龙1301的生产量降低了每年100吨以下。

    到2007年7月1日,CFC生产行业计划通过8年实施,除了保留一条生产线满足MDI用途外,其他CFC生产全部停止,CFC生产装置即将全部拆除。

    最新成果/臭氧层 编辑

    研究臭氧层的300多位科学家,在布伊诺斯艾利斯举行的国际会议上预测,臭氧层大洞大概会在50年内闭合。研究人员说,臭氧层大洞的缩小主要是由于1987年各国开始采取措施限制向大气中排放氟利昂等化学物质收到了预期效果。

    研究人员同时指出,欧洲科学家在北极释放高空探测气球对不同高度的云层进行取样分析,并发表报告指出,云层会加速臭氧层中臭氧的消耗、加剧臭氧层的破坏,这是因为云层中的微粒会激活大气中的含氟化合物。

    科学家发现,云层中的微粒对氯化物的激活作用要比太阳更为厉害,这些微粒冬天被云层中的冰晶包裹,但到了春天,冰晶中的水分会被阳光蒸发,从而导致大量微粒出现于云层中,这是为什么春天大气臭氧层的破坏程度最为严重的一个原因。

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