《平流层臭氧及其减少的理论解释》由会员分享，可在线阅读，更多相关《平流层臭氧及其减少的理论解释（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、平流层臭氧及其减少的理论解释严绍玮（北京大学环境学院 03 级 4 班，北京 100871）摘要： 酸雨，臭氧层破坏和全球变暖是当前人类面临的最重大的三个全球环境问题。本文在介绍大气臭氧基本情况的基础上，着重对当前解释臭氧耗减成因的各种理论解释进行了概括总结。关键词： 臭氧 臭氧洞 耗减引言臭氧在大气层中发挥着不可替代的重要作用。近 25 年来臭氧的减少为人类敲响了警钟，引起了全球性的广泛关注。科学家致力于研究臭氧减少的原因，全球展开了保护大气臭氧层的行动。1 大气臭氧的基本情况1.1 臭氧的发现1786 年,Van Marum 首次提出臭氧作为一种物质而存在于自然界中，1839 年C.F.S
2、chonbein 用希腊文ozone（发臭味的气体）对其命名。大气层中的臭氧因为能吸收全部的波长介于200-280nm 的太阳紫外辐射UV-C 和绝大部分的波长介于 280-315nm 范围的 UV-B（UV-C 能杀死地球上一切生灵，UV-B 能杀死或严重损伤地球生灵） ，而仅使对人类有益的 UV-A（波长介于 315-400nm)到达地面，使人类免受有害太阳辐射的侵害，因而被称作是地球的保护伞。臭氧吸收的 UV-B 是平流层增温的重要来源，它使得平流层温度稳定地随高度上升而增高。同时它又能放出红外辐射使大气层冷却，因而在地球大气层温度系统中发挥着不可替代的作用。1.2 臭氧在大气层中的分布
3、大气中臭氧在全球分布主要与地理位置和季节有关。总体而言，极大值在地球的两极地区，极小值在赤道地区。就季节变化而言，大气中臭氧含量的最大值一般在春季，而最低值出现在秋季，但在低纬度地区，最大值和最小值有时出现在夏季和冬季。在南半球，臭氧最大值出现在 9-11 月份，极值中心出现在南纬 50-60左右；在北半球，臭氧在春季 3-5 月的最大值基本覆盖在极区上空。大气中臭氧随高度的变化就平均状态而言，对流层中臭氧浓度随高度上升而下降，进入平流层，臭氧浓度开始时随高度上升而增加，然后是随高度上升而减小。大气层中臭氧的分布不是相对均匀的分布在各个高度层上的，而是相对聚集形成一个臭氧层。12-50km 范
4、围的大气臭氧层内集中了大气臭氧含量的 90%，而其中 15-30km 范围上又集中了臭氧总量的75%。这种分布特征是由臭氧生成和破坏的化学平衡决定的，可以用方程式解释（M 是为平衡能量而引入的第三量）：O2+hvO+O+5.115eV （1）O+O2+MO 3+M （2） O3+HOO+O 2 （3）氧原子的存在状况是大气层中臭氧形成过程中的关键因素。氧气吸收一定波长太阳辐射后分解形成氧原子，氧原子与氧分子再结合成为臭氧分子，同时臭氧分子也因为吸收太阳辐射而分解。净反应O+O32O 2 研究表明，这种发生在大气高层的臭氧的形成和破坏过程与那个高度的大气压力，温度以及氧气分子浓度，太阳辐射强度等
5、有密切关系。低层大气中，较弱的太阳辐射无法使氧分子分解成大量氧原子，在较高层大气，氧分子浓度很小，也不能形成足够多的氧原子，进而形成臭氧分子。这就是导致 20-25km 范围内出现臭氧最大浓度的原因。1.3 臭氧耗减及臭氧洞的发现从 20 世纪 70 年代起，科学家从世界各地地面观察站对大气臭氧总量的观测记录发现，全球臭氧总量有逐渐减少的趋势，两极地区尤其是南极地区上空臭氧的耗损特别严重，出现了“臭氧洞”。所谓臭氧洞，是指地面上空大气臭氧季节性大幅度下降的现象，世界气象组织 WMO 将臭氧洞顶一位臭氧的柱浓度小于 200DU（Dobson units） （1DU=10 -3cm） ，也即臭氧的
6、浓度较臭氧空洞发生前减少超过 30%的区域。南极上空臭氧洞面积不断扩大，爆发时间不断提前，持续时间持续增加。1996 年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏。1998 年臭氧空洞持续时间超过 100 天，是臭氧空洞发现以来的最长纪录。一切迹象表明，南极臭氧洞的情况仍然在不断恶化中，进一步研究和观测还发现，在北极上空和其他中纬度地区也出现了不同程度的臭氧耗减现象。2000 年 3 月，希腊萨洛尼卡大学发表报告称，欧洲上空的平均臭氧含量比 1976 年以前的水平低了 15%。1.4 臭氧减少引起的严重后果臭氧减少将使进入大气层中的有害太阳辐射显著增多，引起严重后果。首先是对人体健康的危害：使免疫系统的免
7、疫功能降低，引发肺结核，麻风病，黑热病等疾病的蔓延。有报告称，臭氧减少甚至会增加 AIDS 的发病率。进入大气层的过多的太阳辐射会对人眼造成伤害，导致白内瘴等眼部疾病的发生。有害的紫外辐射将对人的皮肤造成损害，使皮肤癌的发病率增加。另外，臭氧减少还会对生态系统的平衡造成不良影响，对有机材料造成损害。2 臭氧减少的理论解释臭氧一经发现，立即引起了科学界和整个国家社会的高度重视。对于自 20 世纪 70 年代以来出现的臭氧耗减的地域性，季节性以及规模的定性和定量的研究，成为臭氧洞发现以后的科学热点。对其成因的解释，目前有三种理论占据主流地位，即臭氧耗减的化学理论，臭氧耗减的太阳活动理论，臭氧耗减的
8、动力学理论，另外有的学者还提出了火山活动假说和奇氮理论等，试图从不同的角度对其加以解释分析。其中人们最为关心的是大气臭氧耗减的化学理论。2.1 臭氧耗减的化学理论臭氧耗减的化学理论认为，人工合成的消耗臭氧层物质，主要是一些含氯和含溴的化合物，最典型的是氟氯碳化合物（CFCs，俗称氟利昂）和含溴化合物哈龙（ Halons）由对流层进入平流层，经催化作用而消耗臭氧是形成臭氧耗减的直接原因。2.1.1 消耗臭氧层物质人们把破坏大气臭氧层的物质统称为“消耗臭氧层物质” ，英文缩写为 ODS。主要包括氯氟碳化物，聚四氟乙烯（哈龙） ，四氯化碳，甲基氯仿，溴甲烷以及某些部分取代的氟氯烃。目前，全世界 CF
9、Cs 的生产和消费在各种 ODS 物质中居首位，年消费量约为 150 万吨，主要是作为制冷剂，发泡剂，驱雾剂和清洗剂而得到应用的。2.1.2 理论解释人为释放的 CFCs 和 Halons 等物质在对流层中是化学惰性的，因而能稳定存在，在热带地区上空被辐合上升的大气环流带入平流层，同时风又将它们从低纬度地区向高纬度地区输送，在数月的时间内能在平流层内达到均匀混合。在平流层内，强烈的太阳紫外辐射（主要是 UV-C）能使其分解而产生氯自由基从而参与消耗臭氧的链式反应。CFxClyCF xCly-1+Cl （4） Cl+O3ClO+O 2 （5）O22O （6）ClO+O2Cl+O 2 （7）净反应
10、 O+O3O 2+O2 （8） 在这个过程中，氯原子自由基作为催化剂可以不断循环再生，而臭氧将被大量消耗。溴原子自由基也有类似的反应发生，并且它对臭氧的破坏能力是氯原子自由基的 30-60 倍。然而，上述的均相反应过程并不能完全解释春季南极上空出现的臭氧洞的成因，深入的科学研究发现，南极臭氧洞的形成是有空气动力学过程参与的非均相催化反应过程(heterogeneous reaction)。这一过程又与南极地区特殊的自然现象，即极地涡旋和极地平流层云 PSC(polar stratospheric clouds)密切相关。极地涡旋是南极地区一种特殊的天气现象。秋分后，南极地区逐渐进入极夜状态，太
11、阳紫外线加热停止，辐射差异最终导致环极西风急流（环极涡旋）形成。在平流层下层，极地涡旋的形成极大地阻碍了极地与中纬度地位之间物质与能量的交换，形成了一个封闭的系统，使极地涡旋中心形成一个温度极低的冷核。在这样的极冷（-80）的温度条件下，能形成极地平流层云 PSC。基地平流层云是一种特殊的由 HNO33H2O 和冰晶组成的冰粒云，它易使活性的 ClO 生成且为非均相化学反应的发生提供反应媒介场所。实际上，当 CFCs 和 Halons 进入平流层后，通常是以 ClONO2 和 HCl 化学惰性的形态而存在的，并无原子态的活性氯原子和溴原子的释放。在平流层上极易发生均相反应。ClONO2 (g)
12、+HCl(s)Cl 2 (g)+ HNO3 (s) （9 ）ClONO2 (g)+H2O(s)HOCl(s)+HNO 3(s) （10 ）生成的 HNO33H2O 被保留在云滴相中，当云滴成长到一定程度后便沉降到对流层，也使得 HNO3 从平流层去除，其结果是使反应不断向正向进行，造成 Cl2 和 HOCl 的不断积累。春季太阳辐射重新到达南极地区，Cl 2 和 HOCl 在紫外线照射下产生大量氯原子。Cl2+hv2Cl （11）HOCl+hvCl+OH （12）氯原子发生前述的反应，从而造成严重的臭氧耗减。随后更多的太阳光到达南极，南极地区温度上升，气象条件发生改变，极地涡旋逐渐消失。南极地
13、区臭氧浓度极低的空气传输到其他中高纬地区，南极臭氧洞消失。另一种解释活性氯原子的反应是粒子 N2O5 与 HCl 的表面多相反应：N2O5(g)+HCl(s)ClNO 2(g)+HNO3(s) （13）N2O5(g)+H2O(s)2HNO 3(s) (14)然而也有学者认为氯原子参与的催化反应不足以解释南极臭氧洞的发生，因这类催化反应的总反应效果是 O+O3O 2+O2。 但在南极上空臭氧耗损最严重的平流层中下部氧原子浓度极低。Soloman (et.al,1986)和 McElroy (et.al,1987)研究发现，当氯以活泼自由基的形式ClOX 存在时，臭氧将在其大量存在的平流层下部迅速
14、减少。 Hayman (et.al,1986)和Malinac(1987)提出 Cl2O2 参与反应循环可能破化臭氧。ClNO2+hvCl+NO 2 （15）ClO+ClO+MCl 2O2+M （16）Cl2O2+hvCl+ClOO （17）ClOO+MCl+O 2+M （18 ）2(Cl+O3ClO+O 2) （19）净反应 2O33O 2 后来，Hayman(1988) 通过实验测定证实了这种假设。现在，科学家研究发现甚至可能有限面的反应同时发生：ClO+BrOCl+Br+O 2 (20)ClO+BrOBrCl+O 2 (21)或 BrCl+hvCl+Br (22)Cl+O3ClO+O 2
