人民網 >> 環保 >> 污染防治 2001年9月13日11:15


臭氧層破壞的原因
    

 

    南極臭氧洞一經發現,立即引起了科學界及整個國際社會的高度重視。科學家需要對這一問題的許多現象和特征進行探索,如臭氧洞為什么發生在南極地區?為什么臭氧損耗的規模如此之大?為什么每年的南極臭氧洞發生在春季?

    對于這些涉及臭氧損耗的地域性、季節性及其規模的定性和定量研究,是自南極臭氧洞被發現之后的科學熱點。最初對南極臭氧洞的出現有過三種不同的解釋,一種認為,南極臭氧洞的發生是因為對流層的低臭氧濃度的空氣傳輸到達平流層,稀釋了平流層臭氧的濃度﹔第二種解釋認為,南極臭氧洞是由于宇宙射線的作用在高空生成氮氧化物的結果﹔此外,美國科學家莫里納(Molina) 和羅蘭德(Rowland) 提出,人工合成的一些含氯和含溴的物質是造成南極臭氧洞的元凶,最典型的是氟氯碳化合物(CFCs,俗稱氟里昂)和含溴化合物哈龍(Halons)。越來越多的科學証據否定了前兩種觀點,而証實氯和溴在平流層通過催化化學過程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因。

    那么,氟里昂和哈龍是怎樣進入平流層,又是如何引起臭氧層破壞的呢?

    我們知道,就重量而言,人為釋放的CFCs 和Halons的分子都比空氣分子重,但這些化合物在對流層是化學惰性的,即使最活潑的大氣組分─自由基對CFCs 和Halons的氧化作用也微乎其微,完全可以忽略。因此它們在對流層十分穩定,不能通過一般的大氣化學反應去除。經過一兩年的時間,這些化合物會在全球范圍內的對流層分布均勻,然后主要在熱帶地區上空被大氣環流帶入到平流層,風又將它們從低緯度地區向高緯度地區輸送,在平流層內混合均勻。

    在平流層內,強烈的紫外線照射使CFCs 和Halons分子發生解離,釋放出高活性的原子態的氯和溴,氯和溴原子也是自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破壞臭氧層的主要物質,它們對臭氧的破壞是以催化的方式進行的:Cl + O3 →ClO + O2ClO + O →Cl + O2

    溴原子自由基也是以同樣的過程破壞臭氧,因此,也是催化劑。據估算,一個氯原子自由基可以破壞104─105個臭氧分子,而由Halon釋放的溴原子自由基對臭氧的破壞能力是氯原子的30─60倍。而且,氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協同作用,即二者同時存在時,破壞臭氧的能力要大于二者簡單的加和。

    但是,上述的均相化學反應并不能解釋南極臭氧洞形成的全部過程。深入的科學研究發現,臭氧洞的形成是有空氣動力學過程參與的非均相催化反應過程。所謂非均相,是指大氣中除氣態組分外,還有固相和液相的組分。人們對大氣中存在云、霧和降雨等早已司空見慣,但這種現象一般發生在對流層。平流層干燥寒冷,空氣稀薄,較少出現對流層這些天氣現象。但在冬天,南極地區的溫度極低,可以達到零下80 oC, 這樣極端的低溫造成兩種非常重要的過程,一是極地的空氣受冷下沉,形成一個強烈的西向環流,稱為“極地渦旋”(Polar Vortex)。該渦旋的重要作用是使南極空氣與大氣的其余部分隔離,從而使渦旋內部的大氣成為一個巨大的反應器。另外,盡管南極空氣十分干燥,極低的溫度使該地區仍有成云過程,云滴的主要成分是三水合硝酸(HNO33H2O)和冰晶,稱為極地平流層云(Polar Stratospheric clouds)。

    實際上,當CFCs 和Halons進入平流層后,通常是以化學惰性的形態(ClONO2和HCl)而存在,并無原子態的活性氯和溴的釋放。南極的科學考察和實驗室的研究都証明,化學惰性的ClONO2和HCl 在平流層云表面會發生以下化學反應:ClONO2 + HCl → Cl2 + HNO3ClONO2 + H2O → HOCl + HNO3

    生成的HNO3 被保留在云滴相中。當云滴成長到一定的程度后將會沉降到對流層,與此同時也使HNO3從平流層去除,其結果是造成Cl2 和HOCl 等組分的不斷積累。

    Cl2 和HOCl 是在紫外線照射下極易光解的分子,但在冬天南極的紫外光極少,Cl2 和HOCl的光解機會很小。當春天來臨時,陽光返回南極地區,太陽輻射中的紫外射線使Cl2 和HOCl開始發生大量的光解,產生前述的均相催化過程所需的大量的原子氯,從而造成嚴重的臭氧損耗。氯原子的催化過程可以解釋所觀測到的南極臭氧破壞的約70%,另外,氯原子和溴原子的協同機制可以解釋大約20%。 隨后更多的太陽光到達南極,南極地區的溫度上升,氣象條件發生變化,結果是南極渦旋逐漸消失,南極地區臭氧濃度極低的空氣傳輸到地球的其他高緯度和中緯度地區,造成全球范圍的臭氧濃度下降。

    北極也發生與南極同樣的空氣動力學和化學過程。研究發現,北極地區在每年的一月至二月生成北極渦旋,并發現有北極平流層云的存在。在渦旋內活性氯(ClO)占氯總量的85% 以上,同時測到與南極渦旋內濃度相當的活性溴(BrO)的濃度。但由于北極不存在類似南極的冰川,加上氣象條件的差異,北極渦旋的溫度遠較南極高,而且北極平流層云的量也比南極少得多,因此目前北極的臭氧層破壞還沒有達到出現又一個臭氧洞的程度。

    因此,南極臭氧洞的形成是包含大氣化學、氣象學變化的非均相的復雜過程,但其產生根源是地球表面人為活動產生的氟里昂和哈龍,曾經是一個謎團的臭氧洞得到了清晰的定量的科學解釋。但是令科學家和社會各界憂慮的是, CFCs和Halons 具有很長的大氣壽命,一旦進入大氣就很難去除,這意味著它們對臭氧層的破壞會持續一個漫長的過程,臭氧層正受到來自人類活動的巨大威脅。

    為了評估各種臭氧層損耗物質對全球臭氧破壞的相對能力,科學上采用了“臭氧損耗潛勢”(Ozone Depletion Potential, ODP)這一參數。臭氧損耗潛勢是指在某種物質的大氣壽命期間內,該物質造成的全球臭氧損失相對于相同質量的CFC-11的排放所造成的臭氧損失的比值。在大氣化學模式計算中,某物質X的ODP值可以表示為: 

    ODP=單位物質X引起的全球臭氧減少/單位質量的CFC-11引起的全球臭氧減少 

    臭氧損耗物質的大氣濃度分布及參與的大氣化學過程是影響其ODP 值的主要因素。由于對這些因素的處理方式不同,不同的研究者得到的臭氧損耗物質的ODP值存在一定的差異,但各類臭氧層損耗物質的ODP 值的次序大體一致:含氫的氟氯烴化合物的ODP 值遠較氟里昂低,而許多哈龍類化合物對平流層的破壞能力大大超過氟里昂。這些研究為決策者指定臭氧層損耗物質的淘汰戰略和替代方案提供了有力的科學依據。


人民網 2001年9月13日


 
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