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臭氧层破坏  

2008-02-24 09:03:16|  分类: 教育篇 |  标签: |举报 |字号 订阅

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臭氧是在平流层中15~35km高空聚集的气体。臭氧是一种极为活跃的气体,它除了含量高时,会对人类健康产生不良影响外,还是一种温室气体。臭氧在全球环境变化中有两种不同的作用。①防止过量的紫外辐射,是地球生命的一种保护层;②在对流层中,是一种温室气体,可引起温室效应,并可(因氧化性)危害人类健康。

一、臭氧减少的发现

1985年,当英国科学家的研究成果震惊世界大气化学界时,第一个由人类引起的全球环境变化的现象便已经很明显了。英国进行气象研究的约瑟夫·法曼及其同事在科学期刊《自然界》上发表文章说,1977~1984年10月份–––南半球春天的第一个月份,南极洲上空同温层臭氧浓度已从20世纪60年代基准水平上降低了40个百分点。

许多科学家对这一消息表示怀疑,因为现有的理论从未预测过这一情况。这意味着在一年有好几个月臭氧层中有一个空洞,而恰是臭氧层保护了动植物,使之免受太阳紫外线辐射。损耗大气层中臭氧的化学过程似乎突然加速,比估计的还要快。这一发现使我们认清了这一严峻的事实:我们对地球系统的运行了解得再多,出人意料的事情仍时有发生。

1964年开始的,由美国国家海洋与大气管理局(NOAA)进行的地面观察,并未揭示臭氧含量降低这一现象。而1978年以来,国家宇航局(NASA)尼泊斯7号卫星上全球臭氧探测光谱仪的测量结果反映出臭氧量的变化,但当时未作分析。研究人员仔细分析了这批数据后,证实了法曼的发现。但是仍有难以解释的问题:是什么过程导致了空洞的出现?其它纬度的臭氧层会不会变薄,是否仅限于南极?

为收集南极臭氧化学反应、臭氧空洞及其成因的有关信息,以科罗拉多州布德NOAA的大气化学家苏珊·所罗门为首的一个科学家小组于1986年前往南极开始了第一次臭氧考察。到1987年,他们和其他的考察组发现南极上空的臭氧比1979年卫星开始工作头一年10月份的记录值减少了50%(以1979年为对照),而且在离地面15~20公里的高度,臭氧损耗量高达95%。1988年的温度(影响同温层中的反应)比1987年温和,在10月份时,臭氧量比1979年的测量值低15%(1979年的臭氧值低于20世纪60年代基准值20%)。1989年温度再次降低,臭氧水平与1987年的臭氧严重损耗时的水平持平。

三、臭氧层破坏的化学原理

在发现臭氧空洞以前科学家还确信他们对臭氧层的化学变化已十分了解了。遍布大气层的氧分子(O2)受太阳辐射而获得热量时,便分裂成单个氧原子(O+O)。这些氧原子与氧分子自由碰撞,结合形成臭氧(O3)。臭氧分子独特的结构使之可以吸收太阳辐射中对生命有危害的部分紫外光。

1、臭氧的形成及耗竭机理

(1)形成机理:正常的高空太阳辐射作用下,分子氧O2首先离解出原子氧(O),然后再结合形成O3:

随后,O3,又可被太阳辐射作用离解:

这是正常情况下,大气中臭氧的形成与分解,速率大致相当,因而总量处于恒定状态。

(2)耗竭机理

如果由于大气平流层中存在一些微量气体成分,如NOX、CFC3、HNO3、NO、NO2、N2O等。这些微量气体使O与O3转换成O2,而本身不被破坏,这就使O3不断被消耗,起到了催化消除O3的作用。微量气体可组成一些活性自由基,如NOX、ClOX、HOX等,被称为活性物种,在平流层可起到消除O3的作用。

如对于ClOX:

氧原子比氯的氧化性强,因此,结合成O2。

对于NOX:

而这些不稳定的自由基,来源于地表自然活动和人类活动排放出来的化学物质。如CFCs(卤代烃类)、N2O和CH4。尤其是卤代烃类(CFCs)。分为CFCl3氯氟甲烷(CFC-11)、CCl2F2二氟二氯甲烷(CFC-12)和CH3Cl氯甲烷(CFC-13)还有大量的氮氧化物NOX。

氯氟烃的商品名叫氟里昂,是一类(甲烷和乙烷的氟氯衍生物)的总称,化学上用CFC表示。这些物质的来源主要有:

①超音速飞机排放的大量NOX气体。

②化肥的施用,土壤的反硝化作用,促进NOX和N2O的输送。

③制冷、电器清洗等家用电器及灭火器等的发展,使CFC气体上升。

值得注意的是,这些气体在大气层的寿命很长,CFC–11的寿命约为65年,CFC–12约120年,CFC–13约100年。这些气体扩散到平流层,在紫外线照射下光解,释放出氯原子继而再与O3发生链反应,产生O2。其反应速率是NOX与O3反应速率的5.6倍。因此,人们认为氯氟烃类是破坏O3的主要污染物。

CFCl3氯氟甲烷               CFC–11:用于塑料泡沫吹剂

CCl2F2二氟二氯(甲烷)   CFC–12:用于制冷剂

                                         CFC–13:用于清洗电子器件的溶剂

除氟里昂外,还有哈龙(含溴的卤代甲烷和卤代乙烷)

CF2BrCl、CF3Br、CF2Br2

臭氧遭破坏的反应式如下:

如二氟二氯甲烷:

如,氯氟甲烷CFCl3

从上述反应式中可见臭氧层中的O3会不断地遭到破坏,而Cl·原子的净消耗却为零(链式反应的反复循环)。据资料,一个氯原子可破坏10万个臭氧分子,只要有少量的Cl·到达平流层,就可使O3不断被耗损,直到Cl·终止反应为止(如2个Cl·结合成Cl2分子),由此可见,氟里昂对臭氧层的破坏是非常大的。

3、大气条件中臭氧的破坏

臭氧浓度减少主要发生在南极地区,9~10月为南极的春季,这是因为存在破坏臭氧的化学物质及利于极地同温层云团(PSCs)–––这些又高又薄的云形成的天气状况。同温层十分干燥,只有当温度降至-80℃(-112°F)以下时,才会形成云的构成物质–––冰结晶。云使同温层中的化学变化发生在气体分子表面而不是内部,可将氯从不易与臭氧发生反应的物质转换成一种不稳定形式,在太阳光照射下极易分解并破坏臭氧。因此,低温和太阳照射对造成极地臭氧破坏的过程至关重要。南半球的春天里,日照逐渐增多,而温度却不高,因此,臭氧易被破坏。

通常同温层中的氯滞留在被称作“蓄积化合物”的物质中,如氯化氢、硝酸氯等,它们本身并不破坏臭氧,一旦同温层变冷,云层物质结冰,冰晶体提供了可以发生反应的表面:硝酸氯(ClONO2)与冰表面的盐酸(HCl)发生反应,产生氯分子和硝酸,硝酸仍附在冰表面上,氯分子迅速形成氯原子,从而破坏臭氧。

南极臭氧浓度每年有几个月都降至原有的50%,甚至更低。而北极地区冬季约有5~10%的臭氧被破坏,比南极小得多。原因:①北极同温层的春季比南极同温层温度回升早得多,平均温度也高,不易形成冰晶;②北极涡流不如南极涡流密度高(臭氧分子在热带上空形成,通过大气运动随同氯一起被输送到南极和北极滞留几个月)。

4、臭氧层被破坏可能带来恶果

按照波长的顺序,通常将紫外线分为紫外线A、紫外线B和紫外线C三部分。这种分类方法是以紫外线对人体效应为依据。紫外线A的波长是320~400纳米;紫外线B为290~320纳米;紫外线C为190~290纳米。它们对人体造成的损害是紫外线C和B大于紫外线A。

臭氧层可吸收紫外线中最有害的波长部分,使生物免受其危害。紫外线C的辐射基本上被平流层的臭氧完全吸收,不能到达地面。即使平流层中的臭氧浓度大为降低(百分之几十),它也几乎不能到达地面。臭氧含量对紫外线B的吸收量关系密切,随着平流层臭氧浓度降低,会使紫外线B到达地面量增加,因此对人体的损害作用随之加强。紫外线A到达地面量与臭氧浓度变化的关系不大。

大气中臭氧的耗损,将使太阳紫外线B辐射(290~320纳米)增强。这不仅对人类健康带来威胁,还会危害农作物和影响水生生物的繁殖生长。此外,由于紫外线对光化学烟雾的形成起着催化作用,臭氧层被破坏还将引起城市上空光化学烟雾增多。由于臭氧还是一种温室气体,因此,臭氧的耗损还将引起全球气候的变化。

(1)对陆地生态的危害。在农业和天然陆地生态系统(如森林)中,重要的是植株较高的植物。因为,它们有更大部分的生物组织暴露于阳光下,以便于光合作用,因此臭氧耗损将导致紫外线B辐射增强(如平流层臭氧量减少1%,紫外线B辐射约增加2%)对这些植物的影响会更大。

美国马利兰大学对300种植物进行试验,发现其中200种对臭氧减少造成的紫外线增加敏感,使作物对病虫害更敏感,叶片发黄、机能下降,植株矮小等。

(2)对水生生态的危害。研究者已考察了太阳紫外线B辐射对深度20米以下的清水中和5米以下的混浊水中的生物影响。实验研究表明,它对鱼类(卵、鱼苗和幼鱼)、虾、蟹、浮游动植物和构成水生食物链的植物都具有危害作用,包括减缓其生长率、缩短寿命以及对其他功能的损害。尤其是海洋生物如吸光浮游生物和许多种类的幼虫,都可能对紫外线敏感,因它们生存在水面上层。

(3)对人体健康的危害。紫外线从多方面影响和危及人体健康。例如晒斑、眼病、免疫系统变化、光变反应和皮肤癌。

皮肤癌是一种顽固的疾病,紫外线B的增强会使患这种病的可能性增大。当臭氧量减少10%,皮肤癌发病率将增加4~6%。流行病学研究已证实,非黑瘤皮肤癌的发病率与日晒紧密相关。种种类型皮肤的人均有患非黑瘤皮肤癌的可能,但在浅色皮肤人群中发病率较高。统计数学表明,紫外线B的增强将会导致非黑瘤皮肤癌发病率增多。据估计,大气中臭氧量减少1%(即紫外线B增强2%),基础细胞癌变率将增加约4%,扁平细胞癌变率增加6%。虽然扁平细胞在总体中仅约为20%,但它比基础细胞更易侵入,并且是更致命的。流行病学研究表明:假定紫外线B和黑瘤发病率之间有一定关系的话,臭氧量减少1%,黑瘤发病率会提高2%。对于夏威夷不同种族的人研究表明,皮肤癌的发病率在白色人种中为138/10万,在夏威夷土著人中为1.6/10而,而在全部有色人种中为3.1/10万。

据美国科学家估计,臭氧减少1%,皮肤癌患者就会增加2%。现在,全世界每年有1万人死于皮肤癌。最近美国国家环境保护局发表的一份报告指出,由于大气的臭氧日益减少,在今后88年内美国皮肤癌患者将达到4000万人。因癌症死亡的病例将达到80万人,是目前死亡人数的两倍。

1985年,20多个国家在维也纳签署了《维也纳保护臭氧层公约》。1987年9月14日至16日在加拿大蒙特利尔由联合国环境署主持召开了保护臭氧层的国际大会。会议通过《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。根据这个议定书规定,发达国家在本世纪末将当时的氯氟烃的使用量减少50%,发展中国家可以有10年的宽限期。现在已有近百个国家签署了这个议定书,该议定书已于1989年1月生效。我国于1991年6月19日加入经过修正的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。

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