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大气中的臭氧污染

来源:生态环境大讲堂 编辑:郝爽 时间:2020-12-01
导读: 工业革命以来,全球工业生产总量快速增长,人类对地球资源的过度开发和开采,使得大气和淡水污染日益严重、土壤和森林大面积减少、物种大量消亡等地球环境祸患也随之出现。
        工业革命以来,全球工业生产总量快速增长,人类对地球资源的过度开发和开采,使得大气和淡水污染日益严重、土壤和森林大面积减少、物种大量消亡等地球环境祸患也随之出现。

        如何通过文明、节约、绿色的消费方式和生活理念,改善我们赖以生存的地球家园?如何提升各个局部的微气候环境,保障人们的身体健康?
中国古代的神话故事,“女娲补天”的故事,女娲补天是怎么回事儿呢?可能大家都比较熟悉,其实就是神仙打架,撞到了一个支撑天的柱子,天就漏了一个洞,于是各种灾难,从天上倾泻而下伤害人类。女娲最后利用各种神力,来修补天洞。在人们的心目中,“女娲补天”一直是一个神话中的事儿,然而我们现在好像真得发生了,类似的事情。就是天上有一个洞的事情是什么呢?就是臭氧层的空洞问题。

        破解臭氧层空洞之谜
        简单说,地球的大气包裹着一层保护层,将太阳光中强烈的紫外线阻挡住,保护地球上的动植物,免受过量的紫外线的伤害,但是(二十世纪)八十年代的时候,科学家发现,南极上空的臭氧层,出现了一个洞,而且这个洞逐年扩大。科学家就指出,臭氧层出现了,持续性的空洞。经过持续地测量发现,到1994年,南极上空的臭氧层有70%都消失了。据统计,臭氧层每缩小10%,人类皮肤癌的发病率就上升25%。因此,自从发现臭氧层空洞以后,人们就开始想办法保护臭氧层。

        认识臭氧的本质
        实际上,人类开始认识臭氧,是在1785年,德国和荷兰的科学家,分别在实验室操作中发现了,这种强烈气味的特殊气体。后来在1840年,法国瑞士的科学家就搞清楚了,这个气体的分子结构,是三个氧原子结合在一起,并给它取名叫臭氧。

        是因为它有类似鱼腥的臭味儿,同时,它又都是氧原子组成的,所以它叫臭氧。它在常温下,可以自行地反应,还原成氧气。它的比重比氧气大,易溶于水,易分解。由于臭氧,是由氧分子多带了一个氧原子,就决定了,它是一个暂存的状态,就代表它很不稳定。它携带的氧原子,除了氧化用掉以外,剩余的这些氧分子 又组合成氧气,进入稳定的状态。所以说臭氧具有强氧化性,它比氧气的氧化性要强多了,可以在很低的温度下,发生氧化反应。那么,臭氧层是由法国科学家法布里,于二十世纪初发现,他发现大量的臭氧是平流层主要的化学成分,据研究,它这一圈层的臭氧是由自然演化而来的产物,而且是在大约十六到二十亿年前产生的,基本上在十五到四十公里的上空。因为这一层在太阳紫外辐射的强烈作用下,发生了一系列反应,渐渐形成了臭氧层。先有了臭氧层,才有了陆地上的生命。

       1930年的时候,英国的地球物理学家卡普曼提出,大气中的臭氧主要是由氧原子同氧分子,在有第三种中性分子参与下,进行的三体碰撞产生的大量的臭氧。那么,恰恰就在二十到二十五公里的高度范围内,它既有足够的氧原子,又有足够的氧分子,是最有利于三体碰撞的,所以形成了大量的臭氧。

        大约每年将近有500亿吨的臭氧产生,这一层占了整个地球,90%的臭氧,那么这一层就给它取名叫大气中的臭氧层。

        好臭氧的作用
        平流层臭氧,或者说臭氧层,对太阳的紫外辐射,有很强的吸收作用,它有效地阻挡了对地表生物有伤害的短波紫外线,吸收99%的有害紫外辐射,只能是有了臭氧层之后,生命才有可能在地球上生存、延续和发展。臭氧层是地球生命的保护伞,因此,这一部分平流层的臭氧,就是我们所说的好的臭氧。臭氧迄今为止,是所知道的唯一能吸收UV-B的气体。

        好的臭氧究竟有多好,可以说它对人类就是真爱。紫外辐射按波长分三类:一类UV-A(315纳米到400纳米),它可以促进人体维生素D的合成,是人体必需的,这部分的紫外线臭氧层是不吸收的。第二块叫UV-B(280纳米到315纳米),它可以损害蛋白质和DNA,对于这部分的紫外辐射,臭氧层能吸收掉90%以上,还有一段UV-C(200纳米到280纳米),它也是对人体能产生严重地伤害作用,这一段就直接全部吸收。  

        大气中发现臭氧洞
        最早报道春季南极地区,大气臭氧总量减少的,是一位日本科学家忠钵繁,1984年,他利用日本南极昭和站大气臭氧一年的观测资料,发表论文称观测到异常减少的现象。那么在1985年,英国科学家法尔曼(Farmen),利用1957年到1984年,南极观测站的资料。在《自然杂志》上也报道了,通过在站上的观测,自从1970年以来,伴随着南半球平流层,大气氟氯碳化物浓度的增加,南极春季大气臭氧总量,出现了急剧减少的现象。法尔曼(Farmen)在文章中认为,在春季平流层低温条件下,人类活动排放的污染物,就是氯氧化物和氮氧化物,在紫外辐射的作用下,产生化学反应,是能够解释南极大陆上空,臭氧总量巨大损失的一个原因。其实他们提出这些地面观测数据的时候,那时候人类已经进入到,利用卫星进行大气探测的时代。

       美国宇航局NASA的卫星,早就开始了,全球大气臭氧的探测,据说NASA也也早就发现了空洞的现象,但是被卫星软件,作为一种异常数据,自动忽略了,后来因为日本和英国科学家提出以后,他们重新调整了软件,证明了,确确实实从卫星观测也是一样,春季的南极臭氧洞确实存在。
南极的臭氧洞,它也不是全年都存在,而只是在南极的春季出现,在七月下旬开始减少,八月中旬的时候,出现较为明显的臭氧层的洞,九月下旬到十月上旬,臭氧洞的面积达到最大,十月底以后,臭氧又开始急剧增加,臭氧洞就逐渐地又恢复,到十二月中旬,基本上洞也就给填满了。

       平流层臭氧洞破坏过程
       那么南极臭氧洞的发现,大大地激发了,各国家科学家们来研究,南极臭氧洞的兴趣,出现了,各种形成机理的理论解释。其中有大气动力学的,有太阳活动学的,有大气化学的,这几种的解释。但这些解释。基本都能在一定范围内。或者一定程度上,解释南极臭氧洞的形成,它们各有各的局限性和片面性。后来经过大量地研究,终于明白,臭氧洞的出现,其实也是,人为和气象两方面的原因。人为的方面,是因为CFCs(氯氟烃)。

       CFCs是什么东西呢?它是二十世纪三十年代初发明的,并开始大量使用的,一种人造的,含氯含氟元素的有机化合物。大气中的氯氟烃,主要来源于人为行为,在一般条件下,氯氟烃的化学性质很稳定。在很低的温度下,就会蒸发出CFCs-11,极易压缩成液化,蒸发的潜热大,它有这样的物理特性。同时,它具有热稳定性和化学稳定性,毒性又很低,不易燃等特点。所以,主要都用在空调的制冷剂、飞机的推进剂、化妆品、杀虫剂、气雾剂、灭火剂、抽提剂、干洗剂、海绵、医药、农药等等,用途非常广泛。
 
       那么由于人类排放出来的CFCs气体,具有非常稳定的特点,在大气的对流层中,它基本上不发生什么分解,所以它们一直扩散到,大气平流层高空。当它受到,来自太阳的紫外线辐射的时候,就会发生碳-氯链的断裂,这样的光化学反应,会产生氯原子,会引发一系列,破坏臭氧的链式反应。那么一个氯原子,引发的链式反应,大约可以破坏,上万个臭氧分子,所以CFCs气体的排放,导致臭氧不断地消耗,从而使平流层降低了,甚至失去了吸收紫外线的能力。

       它(平流层)需要另一个因素,气象方面,主要是大气环流,特别是平流层极地涡旋活动,它能产生低温,产生平流层冰晶云,在冬季的这半年里,南极上空有一个深厚的涡旋,气流沿着南极高原做顺时针的旋转,把南极大陆封闭起来,从赤道过来的含臭氧的气流,就进不了南极上空。而在旋涡中,臭氧层所在的二十公里高度的气温,常常能达到零下八十度以下,比北极要低得多。

       那么南极大气涡旋,在空气上升过程中,还会产生大量的冰晶云,云里的冰晶,不断吸收氯氟烃的气体,使它负极浓度越来越高,一旦南极春季,九月份来临的时候,极夜结束,阳光照射,冰晶云开始升温,氯化氢气体就迅速地释放出来,而氯化氢分子,又在紫外线的照射下和冰晶云表面的催化等作用下,加上大量地氯原子,就开始进行破坏臭氧的链式反应。那么臭氧层就因此,大量地损耗臭氧,就出现了臭氧洞。那么一旦春季,南极涡旋消失,大量富含臭氧的,在赤道南下的这些新鲜空气,进入到南极上空,那臭氧洞也就消失了。

        那么,由于CFCs可引起地球地表温度上升,全球变化等一系列的危害。因此,联合国为了避免它的这些危害,尤其是对臭氧层继续造成,恶化和损害,联合国就组织制定了一系列的,要停止排放CFCs的,国际公约规定,全球各国都要共同努力,保护臭氧层。

        我们国家环保部也发布了,于2008年1月1日起,任何企业都不得,在产品生产和施工过程中,使用CFCs,也就是氯氟烃的物质作为发泡剂等一系列的禁止、淘汰、替换的这些法规。但是,这些化学物质还是非常稳定,就是CFCs这些要完全从大气中消失,还需要几十年。

        南北两极臭氧洞出现规律
       最近在北极地区上空,出现了一个巨大的臭氧层空洞,这可能是北极有史以来,出现的最大的空洞,基本上与南极形成的,臭氧层空洞面积已经相当了。当然,这是一次特殊的气象过程,就是今年强烈的西风环绕北极,将冷空气控制在极地的涡旋中,北极上空的冷空气,比1979年以来的,任何一个冬天都要强。就是在这种寒冷的气温中,高空云层形成破坏臭氧层的反应都发生了,所以说今年是一个非常特殊的。

        那么北极根据历史资料来看,只有在1997年和2011年,有过两次臭氧层的损耗,今年是比以往的都要厉害,北极的臭氧层空洞,不会对人类健康造成威胁,因为冬季高纬度地区的太阳高度角非常小,也就是说能进入到,北半球的这个紫外线还很少。
责任编辑:郝爽
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