对地球"两极"臭氧层严重破坏的探究

对地球“两极”臭氧层严重破坏的探究

作者：胡璇

来源：《安徽农业科学》2015年第04期

摘要 臭氧是保护地球生物的一道天然屏障。大气中臭氧浓度逐年降低、臭氧层破坏，已引起全世界的广泛关注。通过研究人员长期的观察和分析，地球中、高纬度区上空的臭氧层损耗程度较严重，尤其以两极地区为甚。就臭氧的生成、性质和两极地区特殊的地理气候条件对两极地区臭氧层遭受严重破坏的原因做出探究。

关键词 两极地区；臭氧；臭氧层空洞

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）04-263-03

1992年《21世纪议程》中指出，在过去10年的时间内，世界环境发生了巨大变化，人类面临严峻的挑战：人口膨胀、生态破坏、气候变化、土地沙漠化等，诸多问题之中就包括了臭氧资源的耗竭。据有关资料显示，从1979年至今，南极上

空15～20 km间的低平流层中的臭氧浓度总量减少了30%～40%[1]。而1983年前后，通过气象卫星的观察，人们首次发现了南极上空的臭氧层空洞。图1就表明了近年来南极上空臭氧浓度的变化。

1 臭氧层简介

1.1 臭氧层的形成 原始大气中氧气的含量很少，不足以形成如今的富氧大气圈。如今的富氧大气圈可以看成是绿色植物光合作用造成的[2]。 太阳的紫外线辐射、雷电、熔岩喷溢作为动力因素加上原始地壳、大气和水为生命的出现提供了有利的先决条件。大气中的有机物质随降水进入海洋，地表上的有机物及无机盐随地表径流也进入了海洋，它们在适宜的环境中逐渐发展为生命物质。绿色植物的出现是生物进化中至关重要的一环，绿色植物的光合作用产生了游离的氧。逐渐积累后，大气层上层的氧通过一系列的光化学反应形成了臭氧。臭氧的形成避免了紫外线对于绿色植物破坏，如此演变及发展慢慢形成了如今的地球大气圈。

1.2 臭氧层简介及功能 臭氧层是指大气平流层中臭氧浓度相对较高的部分，在20～25 km处达到浓度的最大值。但相对于其他的大气组分来说，臭氧的浓度是很低的，仅占到空气的千万分之一。若将大气层中所有的臭氧集中于海平面处，可形成3 mm厚的薄层。为了方便表示大气中臭氧的密度，将0 ℃、标准海平面压力下，10-5m厚的纯臭氧定义为一个Dobson单位（DU）。一年中，臭氧平均浓度有明显的季节性变化，春季（3月）达最大值，秋季（10月）最小，变化幅度约50 DU[3]。而当某地的臭氧浓度降到220 DU时就认为出现臭氧层空洞。从图2可知，2002年地球平均臭氧层空洞面积达历史峰值，1994年平均臭氧浓度降到历史最低水平。

大气臭氧层有保护、加热以及温室作用，对维护地球生态平衡发挥着异常重要的作用。臭氧层能吸收大气中绝大多数的UV-B及UV-C，而这两种紫外线对于生物的杀伤力极强。臭氧层的防护作用保障了地球上的生命免受紫外线的伤害。臭氧吸收紫外线并将其转换为热能加热大气，正因为臭氧的加热作用使地球拥有了区别于其他星球的平流层。如果对流层上部和平流层底部的臭氧浓度降低，就会导致地面的气温降低。大气臭氧层是保障生态平衡和大气循环必不可少的结构。

注：a.1979～2014年9月7日～10月13日平均臭氧空洞面积（×106 km2）；b.1979～2014年9月21日～10月16日平均最低臭氧浓度（DU）。1995年无数据。

图2 臭氧损耗及臭氧空洞现状

2 臭氧层破坏机理

在探究地球两极臭氧层严重破坏时，首先需要明确的是臭氧层的破坏机理。空气中的氧分子（O2）受到太阳紫外线的照射会产生氧原子（O），氧原子再与氧气分子结合生成臭氧分子（O3）。同时氧原子可与臭氧1∶1结合而生成氧分子。大气中同时存在臭氧的生成和消除反应，正常情况下臭氧消耗处于动态平衡之中。可是大气中存在的一些自由基会干扰上面的动态平衡，氢氧自由基、氮氧化物、氟氯烃（CFCs）等与臭氧发生链式反应，而消除大气中的臭氧。

2.1 自由基对臭氧的破坏 在平流层内，高氧化性自由基是破坏臭氧层的主要物质，它们以催化的方式，按照下列的反应进行对臭氧的破坏：

Y+O3 → YO+O2

YO+O → Y+O2

Y（自由基分子或原子）对平流层的臭氧分子分解起了重要的催化作用，Y所参与的环式反应首尾相连，开始消耗的反应物Y又在后面的反应中生成。这样就造成了臭氧浓度的下降。

2.2 氮氧化物对臭氧的破坏 近年来，随着化石燃料的大量燃烧以及含氮肥料的大量使用，大气中氮氧化物的浓度逐年增加。在NOx的环式反应中，NO起催化作用，NO分子与臭氧相结合生成二氧化氮及氧气，接着二氧化氮与氧原子结合生成NO及氧气。由于NO在大气中的浓度不断增加，臭氧在反应中被大量消耗，因此在一定程度上造成了臭氧浓度的降低。

2.3 氟氯烃（CFC）对臭氧的破坏 氟氯烃作为一种制冷剂、发泡剂、清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。由于对臭氧层的破坏作用，被《蒙特利尔议定书》列为一类受控物质。1974年首次发现了氯氟烃与臭氧减少的关系。氟氯烃具有惰性，太阳光的分解作用，雨水冲洗都不能对其产生影响。最终氯氟烃经扩散进入平流层，

由于稳定性，氯氟烃可在大气中保留达数十年之久。1931年氟利昂进入商业化生产，在意识到氟氯烃对于臭氧层的破坏作用后，其用量受到了限制。但是氟氯烃稳定的性质、其存留于大气的时间长，这种破坏作用将长期存在。反应机制可见图3。太阳紫外线能分解氯氟烃。产生的氯原子与臭氧发生反应，生成游离的氧化氯（CIO）：

Cl+O3→ClO+O（1）

氧化氯能在很快的时间内与氧原子反应，并生成Cl及氧气：

ClO+O→Cl+O2 （2）

将反应式（1）、（2）结合，得到总反应：O3+O→2O2。在整个ClOx的环式反应中，Cl在中间仅起到了催化的作用，本身并未发生任何的变化。在失去活性之前，每一个氯虚耗子将引发一个破坏数十万个臭氧分子的反应。

图3 CFC破坏臭氧机制[4]

3 “两极”地区臭氧层严重破坏的探讨

80年代中期有报道显示，南极地区臭氧的浓度在10月（春季）的时候有所下降。在过去10～15年间，每到春天南极上空的平流层臭氧都会发生急剧耗损，极地上空臭氧层的中心地带，近95%的臭氧被破坏[5]。卫星观测来的照片显示，南极地区大气层上部形成了一个大的“空洞”，这就是臭氧层空洞名字的由来。1987年10月，南极上空的臭氧浓度减少了近一半。此后南极地区的臭氧层空洞面积继续扩大。同样北极地区臭氧浓度在1月期间相较于正常水平也有下降。同样的高纬度地区，我国气象科学院的周秀骥先生发现青藏高原也存在一个臭氧低值中心。地球两极或者是我国的青藏高原这些人烟稀少的地区并未有大规模的污染源存在，但是地球两极臭氧层破坏的程度相比于地球其他地方却更加严重。造成这一现象的原因要从气候地理条件等方面综合考虑。

3.1 “两极”地区的地理气候条件 地球两极的气候及地理条件相比于地球其他地方有很大的特殊性，以受破坏程度更加严重的南极地区为例。南极是世界上最寒冷的大陆，历史最低温度-88.3 ℃就是在南极地区监测到的。四面环海的南极又俗称地球“风极”、“暴风雪之家”。同时，地球两极等臭氧层破坏严重的地方纬度一般较高。

3.2 纬度对于臭氧层破坏的影响 根据美国云雨气象卫星TOMS所提供我国不同纬度间臭氧损耗的数据，周秀骥先生等将其换算为我国的网格点数据，得到表1。网格距为1°×1.25°，得出了从我国南端北端之间不同纬度地区臭氧总量月平均值的变化序列，并计算出了其平均年臭氧衰减率[6]。从表1可知，随着纬度的增加，臭氧的平均年衰减率在增加。从海口到漠河，臭氧的年平均衰减率扩大了接近10倍。但纬度并非唯一因素，纬度位于昆明、临安之间的西藏，臭氧年平均衰减率却高于这两地。可见除了纬度的作用，还有其他因素影响着臭氧的年平均衰减率。

3.3 海拔对于臭氧层破坏的影响 大气层由上而下可以分为对流层、平流层、中间层、热层和外溢层。对流层是离地面距离最近的地方，人类活动所排放的有害气体首先就会进入该层。对流层的空气对流运动显著，地面的加热不均将造成对流层的空气垂直对流运动，低纬度的空气对流相较于高纬度来说强。赤道等低纬度地区因为获得较多的太阳辐射能，空气对流运动旺盛，所以上空的空气对流层较高；两极地区因获得的太阳辐射较少，且空气对流运动弱，对流层就相对较低[7]。南极地区的气温又相对更低，因此南极地区的臭氧层破坏更加严重。污染物中所含的氟氯烃、氮氧化物等损耗臭氧的物质随大气环流扩散，将更容易进入较低的对流层而造成臭氧浓度降低，进一步造成臭氧层空洞。

3.4 其他原因对于臭氧层破坏的影响 极地气候变化莫测，以极地气旋为例。南极大陆高压的周围常年存在着许多极地气旋，这些极地气旋有规律地自西向东移动，是影响南极地区的主要天气系统之一。两极地区、德尔海、别林斯高晋海和普里兹湾等海区，均为气旋生成和消失的高频区。气旋活动有明显的季节性变化。夏季气旋活跃、气旋数偏多，而冬季偏少；过渡季节接近平均数。极地气旋将使冷空气持续作用于南极地区，造成大气对流运动变缓，使污染物质更易进入对流层与臭氧发生反应。除极地气旋之外，还存在着其他原因影响着极地地区臭氧严重消耗，由于检测手段以及相关资料的缺乏，对于这一现象的探讨不能再深入进行。 4 结语

保护臭氧层最为有效的措施是控制污染源。氟氯烃现在已经被限制使用，但是没有被完全禁止，寻找新的代替物品是当务之急。2000年CFCs、哈龙、四氯化碳等物质被全面禁止使用，相关支持基金于1993年正式开始运行，至1999年已向超过100个发展中国家发放了12亿美元的赠款，以支持发展中国家转向采用对臭氧层无害的代替品替代技术[8]。对于氮氧化物等污染气体的排放监测也应该标准化。汽车单双号限行、对大型污染企业的治理等措施应得到实施保障。开展必要的宣传活动，让社会与民众加大对保护臭氧层等环保问题的重视。 臭氧层问题是一个跨学科、跨国界的全球性重大问题[1]。对全球性的环境问题不能单靠一个国家的努力，这需要全世界的协同工作。各国政府以及国际组织应保障环保工作的进行、科研工作者应该持续进行相关研究、普通民众也应该尽力从自我做起，养成绿色环保的生活习惯。保护臭氧层是全球人类的共同责任，因为人类赖以生存的地球只有一个。

参考文献

[1]夏志强.臭氧层破坏的起因危害及对策[J].城市环境与城市生态，1993（4）：37-42.

[2] 陈静生，汪晋三.地学基础[M].北京.高等教育出版社，2001.

[3] 谢飞钦，蔡旭晖.东亚地区大气整层臭氧浓度的时空变化[J].环境科学学报，2000

（5）：513-517.

[4] 胡耐根.臭氧层破坏对人类和生物的影响[J].安徽农业科学，2010（11）：6068-6069，6072.

[5] 佚名.关于平流层中臭氧及其损耗的科学知识和事实[J].世界环境，1999（4）：5-6.

[6] 周秀骥，罗超，李唯亮，等.中国地区臭氧总量变化与青藏高原低值中心[J].科学通报，1995（15）：1396-1398.

[7] 周宏伟，蒋文苑.青海气象：为什么地球上的“三极”臭氧层破坏严重[N].中国环境报，2001-02-23（4）.

[8] 吴香梅.浅谈臭氧层破坏的环境影响及控制对策[J].丽水师范专科学校学报，2003

（2）：

41-43.