平流层臭氧消耗

来源  :   P蹭生活     2020-07-08 10:13:05

2020-07-08

平流層臭氧消耗

平流层臭氧消耗 (Stratospheric ozone depletion)

臭氧层消耗是地球大气上空平流层(臭氧层)的臭氧从1970年代开始,以每十年4%的速度递减的一种现象。在南极,臭氧耗损的情况更为严重,称之为「臭氧洞」(Ozone Hole)。其实臭气洞并不是真正有个「洞」,而只是表示臭氧含量反常稀少的区域。表示臭氧含量反常稀少的区域。南极臭氧层厚度变化极大,从100至400 Dobson Unit (DU),而厚度若在220 DU以下,即称为臭氧层破洞。(1 DU是每平方公尺有2.69×1020 个臭氧分子)。

平流层臭氧消耗

图1:2006年9月观测到至今最大的南极臭氧洞。洞的面积平均是9千7百50万平方公里。蓝色和紫色是臭氧密度较低处。 (图片来源: NASA — http://www.nasa.gov/vision/earth/lookingatearth/ozone_record.html)

由于臭氧层能够阻挡有害的紫外线到达地表,对于人体健康和生态系统的维护异常重要。所以,臭氧洞出现是很迫切的环境警讯,需要同时从科技和公共政策的配合努力来面对这个挑战。

平流层臭氧为何消耗?
臭氧会被一些游离基(free radical)催化形成氧气而消失,主要的游离基有氢氧基(OH·)、一氧化氮游离基(NO·)、氯离子(Cl·)和溴离子(Br·)。这些游离基有自然生成的,也有人为造成的。目前在平流层的氢氧基和一氧化氮主要是自然产生的,而氯离子和溴离子则是人类活动产生的。特别是一些人造物质,如人造的氟氯碳化物 (也称作氟利昂)(chlorofluorocarbons 简称CFCs), 由于其化学性质相当稳定,生命期长达数十年至百年之久,因此会 在大气中不断累积,最后其分子上升至臭氧层以上的平流层(距地表约40公里以上),将会被高能的紫外线分解而释出氯原子,当这些氯原子降至臭氧层高度(距 地表约20至30公里)时,将引发催化反应破坏臭氧分子,致使臭氧层的厚度变为稀薄。

以属于CFCs 的CFCl3为例,其反应过程如下图所示。

化学反应式净反应CFCl3+ hν → CFCl2 + ClCl + O3 → ClO + O2O3 + O → 2O2ClO + O → Cl + O2

其中’h’为普朗克常数,’ν’为电磁波的频率。 ’hν’为高能紫外线能量。

CFCs是1920年代就有的发明,主要用于空调、冰箱的製冷剂,喷雾设施(香水、杀虫剂等)的分散剂以及精细电器设备的清洁剂,由于其无毒、稳定、没有腐蚀性,自1970年开始被大量生产及使用,至1986年时全球CFCs消费量已达113万公吨,其中约有70%的量,会排放至大氧中。自然界从来也不存在这种物质,完全是人工合成的,并且在对流层的大气中相当稳定,但这些物质一旦进入平流层,在紫外线的作用下就会分解释放氯原子,成为分解臭氧的催化剂。CFCs从地面释放一般要15年才能到达大气上层,经过近一个世纪才能基本完全被分解消化,这一过程中,一个CFCs分子可以消耗近十万个臭氧分子。

CFCs破坏臭氧层的研究
CFCs破坏臭氧层的研究历史回顾整理在表1 。重要里程碑是1974年时, Rowland和Molina首次明白指出人造的CFCs会破坏臭氧层。由于CFCs是重要的工业产品,这个发现直接冲击经济利益团体,引发激烈的辩论。生产CFCs的杜邦公司(DuPont)也公开质疑这个说法。但是此后三年之间陆续出现观测数据证实Rowland和Molina的理论。在科学证据的支持下,包括美国在内的几个国家开始限制CFCs 产品。由于工业生产和消费,以及破坏臭氧层的后果都是全球性的问题,必须有全球性的解决方案。国际社会在此议题进行合作的里程碑之一,就是1987年43个国家签定了蒙特娄议定书(全名是: 蒙特娄破坏臭氧层物质管制议定书,Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)。

CFCs破坏臭氧层的重要历史事件回顾:

1930年英国数学家兼地理学家Sydney Chapman发现地球上空平流层臭氧层的生成原理,就是臭氧/氧气循环(Ozone-oxygen cycle )。1950年,爱尔兰数学家兼物理学家David Bates和比利时气象学家Marcel Nicolet证明了自由基OH和NO会催化分解臭氧,这两种自由基是自然界中存在的,如果没有这两种自由基的存在,臭氧层会比现有的厚两倍。1970年,在德国研究的荷兰大气化学家Paul Jozef Crutzen发现土壤中的细菌会产生一种稳定的气体一氧化二氮(N2O),这种气体会在平流层中分解为NO,Crutzen证明一氧化二氮稳定的寿命足可以使其保持达到平流层,农业过度使用肥料会产生过多的一氧化二氮,破坏臭氧层。另外他和美国化学家Harold S. Johnston各自独立的证明超音速飞机也会产生 NO破坏臭氧层。1974年6月: 美国加州大学教授Frank Sherwood Rowland和他的博士后助理Mario J. Molina在 《Nature》期刊上发表文章,首次明白指出人造的CFCs会破坏臭氧层。1985年5月份的《Nature》杂誌上, 英国南极勘测局的科学家Farman, Gardiner 和 Shanklin发表文章,他们观测的空洞比以前估计的要大得多,在科学界引起震惊1985年8月:美国太空总署将卫星所拍摄之图片公诸于世,确认了南极上空臭氧层已减少,形成一个臭氧洞。1986年8月:美国十三位科学家组成国家臭氧层探险队,展开远征南极之旅。1987年5月:美国科学家 Jim Anderson 以其发展的分析方法证实破坏臭氧的物质为ClO。1994年11月:美国太空总署发布 UARS 全球卫星遥测结果,显示平流层之氯与氟完全源自CFCs的分解产物。至此,有关CFCs的争议终于尘埃落定,CFCs是破坏臭氧的物质。1995年11月: Rowland 、 Molina 以及 Crutzen 三人因对臭氧平衡机制研究有重要贡献而共同获得诺贝尔化学奖。

参考资料:
1. 行政院环境保护署: 臭氧层保护在台湾(http://www.saveoursky.org.tw/main.asp?cat=)
2. 中文维基百科:臭氧层(http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AD%E6%B0%A7%E5%B1%82)
3. 中文维基百科:臭氧层空洞 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AD%E6%B0%A7%E5%B1%82%E7%A9%BA%E6%B4%9E)

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