一起认识臭氧层危机

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1、认识臭氧层危机,虽然臭氧洞出现得地方是在遥远的南极，但其实世界各地大气中的臭氧都已日渐稀薄。从皮肤癌到汽车冷媒，臭氧洞不再只是科学家的研究对象，或是报纸上的新闻事件，而是与每个人都有切身关系的环保课题！,引言：,一、大气臭氧量少作用大,1.大气的组成 我们所居住的地球周围。环绕着一层大气。 这层大气的主要成分是氮和氧，约占99% 以上。此外，还有少量的氩、二氧化碳、 水汽和臭氧(O3)等等。 虽然大气中二氧化碳、 水汽和臭氧含量很少， 但对整个地球气候的变化却影响很大。,2.大气的分层 包围地球的大气，其特性会随高度不同而有许多变化， 科学家便依照气温梯度，来划分大气的垂直结构。 最接近地表的

2、是对流层，其次为平流层、 中气层和热气层。热气层是大气的最外圈， 大气愈向外愈稀薄，并没有一条明显的界限。 由于大气是受地球重力吸引而环绕在地球四周， 因此离地表越近，空气密度越高，大约90%的空气都聚集在离 地表30公里的范围之内；到了离地100公里处， 大气密度已不及海平面的百万分之一， 故若与地球半径约6370公里相比，大气的确只有薄薄一层而已。,3.臭氧层及其作用 平流层的位置大约在离地1050公里处，但大气中的臭氧绝大 部分都集中在离地面大约2530公里的上平流层中，称为 臭氧层。名虽为一层，但实际上臭氧分布各地并不均匀， 而且大气中臭氧的总含量非常少，尚不到1ppm。这极薄的一层

3、臭氧，对于地球上的生命非常常重要，因为臭氧能吸收阳光中的 紫外线，将这些波长很短，而且有致命危险的辐射线， 转换成热能，只有极少量能到达地表。 紫外线会破坏包括DNA在内的生物分子， 增加罹患皮肤癌、白内障的机率，而且和许多免疫系统疾病有关。 此外，紫外线对于农作物，甚至海洋生态系都会造成负面影响。 然而这层重要的臭氧已经受到严重破坏， 而且情形一年比一年恶化。,二、全球臭氧普遍减少,科学家大约在10年前，就已实际观测到臭气层的破洞。 公元1985年，英国南极观测站(British Antarctic Survey)的 科学家法曼(Joseph C. Farman)等人发现，从19771984

4、年， 南极郝利湾(Halley Bay)上空，春季时的大气臭氧含量大约减少了 40%以上。其它研究团体也迅速证实了这项发现，并指出臭氧量 急遽减少的这块区域，其面积甚至大于南极大陆，高度则是介于 1224公里之间的平流层。这就是所谓的臭氧洞(ozone hole)。,臭气洞其实并不是真正有个洞，而只是表示臭氧含量反常 稀少的区域。虽然科学已经知道CFCs(chloroflurocaaarbons， 氟氯碳化物)是造成臭氧洞的主要原因，但是由于南极地区特殊的 气候型态，使科学家相信，南极臭氧洞应是平流层化学反应与 大气环流变化等多种因素交互作用下的结果。,然而，不仅是南极，北极上空平流层的臭氧，

5、也发现有在冬季 减少，形成类似臭氧洞的现象。尤有甚者，根据世界各地地面站 和人造卫星的观测结果，长期以来，全球除热带地区之外的 大部分区域，平流层臭氧都有稀薄化的倾向。,三、南极臭氧连创新低,长期以来的观测纪录显示，从1991年开始，南极上的臭氧含量 每年都创下新的最低纪录。1991年9月30日为162D.U.， 11月8日为191D.U.，每个月都是历年来的最低值。 D.U.(Dobson Unit)是代表大气单位面积中臭氧含量的单位， 以m atm-cm(milli atm-centimeter)表示。 在o，1大气压标准状态下，1D.U.相当于百分之一厘米。,四、罪魁祸首CFCs,两位加

6、州大学尔汶分校(U.C.Irvine)的化学家 莫里纳(Mario J. Molina)和罗兰德(F. Sherwood Rowland)， 杂志上的一篇文章。他们两人在文章中明白指出： 完全由人工合成的氟氯碳化物(CFCs)，由于工业上应用范围 广泛，所以在过去的50年间，排放在大气中的量已经相当可观， 而且它非常安定，生命期长达40150年，因此会在大气中不断累积， 最后将上升至平流层，在这里因受紫外线照射而分解产生氯原子， 活泼的氯原子会与臭氧反应，使臭氧分解消失。莫里纳和罗兰德 并强调，平流层所能接纳的氯相当有限，而且即使大幅降低CFCs的 使用量，大气也需要一段相当长的时间才能减缓臭

7、氧的分解。 CFCs对臭氧的威胁，很快就引起大众传播媒体的重视。 先是纽约时报，再是时代杂志，都对CFCs破坏臭氧层的 消息做大篇幅的报导。原本是工业宠儿的CFCs，现在已成为恶昭彰 的臭氧杀手。,五、CFCs性质稳定不易分解,氟氯碳化物(CFCs)，顾名思义，即是含有氟(F)、氯(Cl)、 碳(C)的化合物。CFCs的应用范围极为广泛，可作为汽 和冰箱等冷冻空调的冷媒、电子和光学组件的清洗溶剂、 化妆品等喷雾剂，以及PU、PS、PE的发泡剂等等。,从1930年代合成初期开始，CFCs在全球各工业国家的 使用量便不断增加，主要因为CFCs的化学性质非常安定， 不可燃且无毒性，故过去一直被认为安

8、全又理想的化学 物质，厂商大量制造，使用者也任其扩散至大气中。,五、CFCs性质稳定不易分解,由于世界各主要工业国家多位北半球，因此北半球 大气中CFCs的平均浓度较南半球为高。CFCs逸出后会在 大气中迅速扩散，但南北两半球的大气，要穿越赤道完全 混合，需时约2年。北半球大气中CFCs的平均年增率为 45%，而南半球CFCs的平均浓度则较北半球约低810%， 故南半球的CFCs大约也刚好是以落后北半球2年的时间， 而以相同的速率在增加中。,积存在对流层的大量CFCs，会随着大气运动进入对流层。对流层的最上部是对流层顶(Tropopause)，对流层顶的高度各地并不相同，会因季节和纬度而异，以

9、在赤道附近最高，约达18公里；在高纬度而异，以在赤道附近最高，约达18公里；在高纬度的两极，则只有约8公里，而且夏季比冬季时略高。由于各地对流层高度不同，在纬度30度左右的副热带地区，会产生不连续的现象，对流层顶缺口。在这个缺口处，上下层空气混合非常强烈，CFCs等物质便因而趁隙进入平流层。,五、CFCs性质稳定不易分解,六、平流层中的臭氧反应,CFCs所以会对臭气层造成如此严重的伤害，主要关键就在其所含的 氯(Cl)。科学家估计，由CFCs所释出的1个氯原子， 只要数个月的时间，就能使大约10万个臭氧分子消失。 在正常状况下，平流层中的臭氧分子，是处于一种动态平衡的状态。 高层大气中的氧分子

10、(O2)吸收紫外线，分解成活泼的氧原子(O)： O2+hvO+O 氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧：O+O2O3 臭氧也会因受强烈紫外线照射而分解，生成氧原子和氧分，或是与 活泼的氧原子作用形成氧分子： O3+hvO2+O O3+OO2+O2 臭氧就在这些反应中不断生成与分解，维持着微妙但脆弱的平衡。 氯则会破坏这种平衡。CFCs在平流层受强烈紫外线照射而分 解产生氯，氯会与臭氧反应，生成氧化氯自由基(ClO)： Cl+O3ClO+O2 带有自由基的ClO非常活泼，若与同样活泼的氧原子反应，便生 成氯和较安定的氧分子： ClO+OCl+O2,而这个被释出的氯，又可以再与臭氧反应，因此氯一方面

11、能够不断消耗臭氧，另一方面却又能在反应中再生。 但过去有些研究认为CFCs对臭氧的破坏有限，那是因为氯和ClO也会和大气中的其它成分作用，而生成不会破坏臭氧的化合物。其中氯会与甲烷(CH4)作用生成氢氯酸(HCl)，ClO则会与二氧化氮(NO2)作用，生成硝酸氯(ClONO2)。HCl和ClONO2被称为氯贮存物质(chlorine reservoirs)，因为它们本身不会与臭氧反应，但在某些状况下却可以释出能破坏臭氧的氯。,七、臭氧减少使UV-B大增,平流层臭氧会吸收紫外线(ultraviolet,UV)，倘若臭氧减少，紫外线的 照射强度自然会增强。 在电磁波谱中，波长在200300mm(毫

12、微米，1nm=10-9m)之间的属于 近紫外线，波长在10200mm之间的属于远紫外线。 近紫外线可分为A、B、C三种，其中以波长在280315mm的 紫外线B(UV-B)对生物危害最大。 UV-B的强度，会随着时间、地点不同而异。通常夏季较冬季强， 低纬度比高纬度地区强，而高海拔则比低海拔地区强。但无论如何， 大气中臭氧减少，全球各地的UV-B都会增强。据估计，臭氧若减少 1%，UV-B大约就会增加2%；而在出现臭氧洞的南极地区， 臭氧大量减少的结果，已使紫外线量加倍增加。,紫外线增加对人类健康所造成的危害，以皮肤癌最为人熟知，而且为害最广。皮肤癌的罹患率与人种和纬度有关，例如同为10万人口

13、的地区，美国德州就有100人以上罹患皮肤癌，瑞典为520人，而日本只有5人以下。换言之，一般以白种人的罹患率最高，居住地区则愈近赤道罹患率愈高。根据联合国相关组织的统计资料显示：大气总臭氧量若减少10%，皮肤癌的罹患率将增加26%，且每年全世界将新增加30万名以上的皮肤癌患者。,紫外线能导致白内障 眼晴在强烈紫外线照射下，会使透明的角膜混浊，引起角膜炎， 或是造成结膜充血的结膜炎，最严重的则是白内障。白内障的病因 是水晶体发生混浊，使视力逐渐衰退，虽然不会产生疼痛，但严重 时仍有失明之虞。经动物实验证明，不仅强烈紫外线照射会引起白 内障，即便是普通强度的紫外线，若是一再反复照射，亦会渐渐发 生

14、白内障。据估计，大气总臭氧量若减少10%，全世界将产生 160175万名新白内障患者。 除此之外，紫外线还会破坏免疫系统，减弱人体对病毒和病原 菌的抵抗力，使更容易罹患如疹等传染性疾病。 既然紫外线会影响人体健康，自然也会影响其它生物。紫外线 之所以会损害皮肤、眼晴及免疫系统，是因为紫外线能破坏人体内 的蛋白质和核酸，由于核酸和蛋白质是所有生物细胞组成不可或缺 的要素，因此紫外线的增加，对整个地球生态系都会有严重影响。,紫外线破坏地球生态 由加州大学圣塔芭芭拉分校的海洋生物学家裴泽林(Barbara Prezelin)，以及地理学家史密斯(Raymond Smith)所率领的一组研究人员，曾以

15、6星期的时间，在南极半岛外的百令豪生海(Bellingshausen Sea)进行追踪调查，以评估臭氧洞对该海域生态的影响。 他们发现，由于臭氧洞有季节性消长的现象，因此穿透大气照射到海面的UV-B，也会随之而有强弱变化。影响所及，在臭氧洞涵盖范围之内海域生活的浮游植物(phytoplankton)，光合作用速率将降低约612%。由于浮游植物生长趋缓，将造成食物链中断的危机。此外，光合速率降低亦表示二气化碳吸收量会减少，使地球温室效应恶化。 美国马里兰大学曾经针对200种农作物进行研究，在温室内观察紫外线照射的影响，结果发现约有三分之二的种类，会有生长迟缓的反应。同时，该校的科学家也曾在大豆田

16、中安装紫外线灯，以连续6年的时间追踪观察，结果发现UV-B会使大豆的成长迟滞，因而减少收获量。其它研究机构的实验也证实，西红柿、玉米、莴苣、豌豆、棉花等作物，在紫外线的照射下，都会产生类似生长迟缓的现象。 由于紫外线会改变植物体内的化学变化，因此不仅农作物的生长受到影响，与植物关系密切的昆虫和草食动物都将遭到波及。甚至森林中枯枝枯叶形成的腐殖质，成分都会有所改变。臭氧洞如此牵一发而动全身的影响，势将危及整个地球生态环境的平衡。,八、保护臭氧层为全球共识 由于国际社会体认到CFCs等臭氧层破坏物质 (ODSs, ozone-depleting substances)，已对臭氧层造成严重破坏， 以及臭氧层对地球生态环境的重要性，联合国环境规划署 (UNEP, the United Nations Environment Programme)遂于1985年召集 世界各国共商对策，签订保护臭氧层的维也纳协议 (the V