臭氧空洞（大气环境问题）-趣爱秀

简介

臭氧空洞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。n

臭氧层作用

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。

形成原因

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+O → ClO+O

O → 2O

ClO+O → Cl+O

Cl与O反应的速度比NO与O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O 。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。

动力学说

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

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：

O ＋NO→O ＋NO ，O＋NO →O ＋NO,

总反应式为：O＋O →2O 。

破坏趋势

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。

北极首现臭氧空洞

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。

青藏高原臭氧总量减少

90年代初，中国北京、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。

危害

臭氧层中的臭氧能吸收200～300nm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。n

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)，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。n

B类紫外线灼伤称为B类灼伤，这是紫外辐射最明显的影响之一，学名为红斑病。B类紫外线也能损耗皮肤细胞中遗传物质，导致皮肤癌。B类辐射增加还可对眼睛造成损坏，导致白内障发病率增加。B类紫外线辐射也会抑制人类和动物的免疫力。因此B类紫外线辐射的增加，可以降低人类对一些疾病包括癌症、过敏症和一些传染病的抵抗力。n

B类辐射的增加，会对自然生态系统和作物造成直接或间接的影响。例如B类紫外辐射对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。n

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。n

B类辐射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。n

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。n

有人甚至认为，当臭氧层中的臭氧量减少到正常量的1/5时，将是地球生物死亡的临界点。这一论点虽尚未经科学研究所证实，但至少也表明了情况的严重性和紧急性。

对策

1976年，美国国家科学院的报告肯定了对臭氧层被CFC破坏的假设，美国、加拿大和北欧等国开始限制在喷雾设施中使用CFC作为分散剂。1978年，美国禁止使用CFC分散剂，但欧盟不同意，美国也仍然在冰箱制冷和干洗领域继续使用CFC，不过全世界的CFC生产总量有所下降，到1986年回落到1976年的水平。1985年20国签定了保护臭氧层维也纳公约，1987年，43个国家签定了蒙特利尔议定书，生产厂家也开始转产，因为“专利权再也不保护他们了，但同时也为他们提供了一个机遇，去寻找新的、更能赢利的替代产品。”1993年，杜邦公司关闭了他们的CFC生产厂。

蒙特利尔议定书的签约国家约定从1993年开始，逐渐停止使用CFC作为制冷剂，到1999年要在1986年的水平上削减50%的使用量。在1990年的伦敦会议上，决定发达国家到2000年，发展中国家到2010年，除了只有少量应用在治疗哮喘时作为吸入剂外，全面禁止使用CFC和灭火剂哈隆。1992年在哥本哈根会议上，全面禁止的日期提前到1996年，同时将禁止产品增加了甲基溴，一种农业上应用的熏蒸剂，发达国家应该向发展中国家提供专家、技术和资金的援助。但作为例外的少量允许使用的产品仍然受到批评。

氟利昂可以被含氢氟氯烃（HCFC）或氢氟烃（HFC）所取代，这些产品虽然也会产生温室气体，但不会破坏臭氧层，此外还有多种可替代产品。

政策

在现代经济中，氟里昂等物质应用非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟里昂等的替代物质和替代技术。在特殊情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。世界上一些氟里昂的主要生产厂家参与开发研究了替代氟里昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC和含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂等，但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟里昂类型的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。

为了推动氟里昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质，许多国家采取了一系列政策措施。一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚，欧盟国家和一些经济转轨国家广泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费、资助替代物质和技术开发等。美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标志得到了非常广泛的应用。

为了实施议定书的规定，1990年6月在伦敦召开的议定书缔约国第二次会议上，决定设立多边基金，对发展中国家淘汰有关物质提供资金援助和技术支持。1991年建立了临时多边基金，1994州年转为正式多边基金。到1995年底，多边基金共集资4.5亿美元，在发展中国家共安排了1100多个项目。

到1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，受控物质使用量仍处于增长阶段。中国由于经济持续高速增长，家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等产品都大幅度增长，受控物质使用量比1986年增长了一倍以上，成为世界上使用受控物质最多的国家之一。

从各项国际环境条约执行情况而言，这项议定书执行的是最好的。向大气层排放的消耗臭氧屋物质已经逐年减少，从1994年起，对流层中消耗臭氧层物质浓度开始下降。预计到2000年，平流层中消耗臭氧层物质的浓度将达到最大限度，然后开始下降。但是，由于氟利昂相当稳定，可以存在50至100年，即使议定书完全得到履行，臭氧层的耗损也只能在2050年以后才有可能完全复原。另据1998年6月世界气象组织发表的研究报告和联合国环境规划署作出的预测，大约再过20年，人类才能看到臭氧层恢复的最初迹象，只有到21世纪中期臭氧层浓度才能达到本世纪60年代的水平。

北极上空

北极上空出现臭氧空洞，这个臭氧空洞主要因北极地区罕见长时间寒冬而形成。北极地区15公里至23公里的高空臭氧严重减少，最大幅度减少发生在18公里至20公里的位置，减少幅度超过80%。研究人员连续27天观测到极低的总柱状臭氧值。“低于250多布森单位的最大区域大约200万平方公里，大概5倍于德国或加州。”尚不清楚这个臭氧空洞是否已对人体健康构成任何风险。

研究人员认为，北极首次出现臭氧空洞由极地涡旋引发，但不是因为更冷，而是因为冷的时间更长，致使能够破坏臭氧的含氯化合物更活跃，以至于观测到比往年冬天厉害得多的臭氧减少。