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1、物质概论与保护一、简述上世纪 70 年月，美国的两位科学家首次留意到人类制造的氟氯化碳类物质可能与臭氧层的破坏有关，并进一步觉察释放到大气中的氟氯化碳类物质会在大气中停留大约10 年，最终上升到平流层。在平流层中经紫外线照耀，氯原子会从氟氯氢原子中分别出来并与臭氧发生反响，将其分解成氧气和一氧化氯；一氧化氯随即会与游离氧发生反响，生成氯原子开头下 一个循环。这种反响周而复始，从而使一个氯原子可以破坏成千成万的臭氧分子，打破臭氧 层中原有的动态平衡。随着时间的推移，排放到大气层中的氟氯化碳类物质不断增多，臭氧 数量急剧削减，臭氧层会变得越来越薄，结果会使更多的紫外线进入地球外表生物圈。其实破坏臭
2、氧层的物质对我们而言并不生疏，在日常生活中它几乎无处不在。冰箱、空调、 电子产品、灭火器材、烟草、泡沫塑料、发胶、杀虫剂等产品的生产过程或使用过程中，人们大量使用的人造化学物质很多都具有破坏臭氧层的力气。科学家把这些破坏大气臭氧层、危害人类生存环境的化学物质称为“消耗臭氧层物质”(ozone depleting substances)，简称 ODS。很多科学争论证明，工业上大量生产和使用的全氯氟烃(CFCs)、全溴氟烃(哈龙)等物质， 当它们被释放并 上升到平流层时，受到猛烈的太阳紫外线 UV-C 的照耀，分解出 Cl 和 Br 自由基，这些自由基很快地与臭氧进展连锁反响，每一个 Cl 自由基
3、可以摧毁 10 万个臭氧分 子。人们把这些破坏大气臭氧层、危害人类生存环境的物质称为“目前认为 ODS 包括以下物质：CFC、哈龙Halon、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷以及HCFC、HBFC 等目前大量使用的 ODS 主要包括以下几类物质：全氯氟烃：主要用作制冷剂、清洗剂和发泡剂；哈龙：主要用作灭火剂；四氯化碳：主要用作化工生产的助剂和清洗剂；甲基氯仿：主要用作清洗剂；甲基溴：主要在农业种植、粮食仓储或商品检疫中用作杀虫剂；含氢氯氟烃：主要用作制冷剂、 清洗剂和发泡剂。以上这些物质破坏臭氧层的力气不同，为了便于衡量，科学家们通过科学试验为这 些物质建立了破坏臭氧层潜能值(即 ODP 值)。哈龙
4、是破坏臭氧层力气最强的，其次为四氯化碳，全氯氟烃，甲基氯仿，甲基溴以及含氢氯氟烃。我们要保护臭氧层，首先就要削减这些人造化学品向大气的排放。 当科学家生疏到臭氧层的破坏和人工合成的全氯氟烃类物质有关后，臭氧层破坏问题引起全球的重视，虽然臭氧层的耗损主要是由于兴盛国家大量使用消 耗臭氧层物质造成的，但由此引起的灾难性影响却有可能涉及全球。二、大气臭氧层对于我们生活的意义谈到大气臭氧层，你或许会想到紫外线、辐射等等的名词，由于它能抵抗紫外线的侵袭； 或许会联想到南极的臭氧层空洞，甚至气候变化等等的名词，由于每年全球气候关注的重点 中都少不了它。那么大气臭氧层到底如何影响着我们的生活？对我们的环境有
5、何意义呢？相 信很少有人能够给出准确的答复。“说到大气臭氧层，那确定要先从臭氧自身说起了。”王维和指出，臭氧自身无论是从化学式还是从形态上来说，都不算是特别简洁，因此我们中学时期的化学、地理等科目都会对其有些接触。臭氧分子式 O3是大气中自然存在的微量气体，具有一种与氯气相像的刺鼻的淡臭味，所以得此名。气态臭氧呈天蓝色，在液态时变成暗蓝色，在固态时几乎是黑色的。臭氧的熔点是-250，沸点为-111。“与我们可以呼吸到的氮气、氧气等气体有所不同，臭氧仅占大气体积的千分之一左右， 且主要存在于大气的平流层，约1530公里的高度范围内，也就是我们俗称的“大气臭氧层“， 在20公里四周，臭氧浓度最高，
6、因此，在我们生活在地面上，是根本呼吸不到臭氧的。”虽然臭氧在大气中仅占微小的比例，又远离我们的日常生活，但其对地球的生命，环境乃至气候都至关重要，王维和总结出以下几个方面：对生命的保护作用。大气中的臭氧吸取了大局部对生命有破坏作用的太阳紫外线，对地球生命形成了自然的保护作用。太阳紫外线中波长小于 290纳米的局部被平流层臭氧分子全部吸取，但波长为290-320纳米，也就是通常所说的 UV-B 波段的紫外线也有90%被臭氧分子吸取，从而大大减弱了它到达地面的强度。假设平流层臭氧的含量削减，则地面受到的UV-B 段紫外辐射的强度将会增加。可以说没有臭氧，地球上的生命就无法存在。二、对环境的影响在对
7、流层中，臭氧是一种有害的污染物，是光化学烟雾的组成局部，工业生产和自然过程如闪电，都会增加对流层中的臭氧含量。对气候的影响臭氧是引起气候变化的主要因子，同时又是重要的氧化剂，在大气光化学过程中起着重要作用。臭氧吸取了太阳光中的大局部的紫外线并将其转换为热能从而加热大气，也能吸取9-10微米的热红外线，使大气层加热。正式由于臭氧的这一特性，使得地球上空1550公里的大气层中存在着升温层逆温层，因此，臭氧对平流层的温度构造和大气运动起打算性的作用，而大气的温度构造对于大气的循环具有重要的影响，臭氧浓度的变化不仅影响到平流层大气的温度和运动，也影响了全球的热平衡和全球的气候变化。除此之外，在对流层中
8、，臭氧因对红外线的吸取作用而被称为温室气体之一。由此我们清楚地看出，大气臭氧层对于我们生活的意义。但惋惜是，在各种人为因素的 影响下，大气中臭氧的浓度呈现出不同的变化趋势，一方面是在对流层中作为污染气体和温 室气体的臭氧渐渐增加，另一方面作为生命自然屏障的平流层中的臭氧的呈现削减的趋势， 特别是在南极，每年的8月份到年底会形成掩盖整个南极大陆的臭氧洞。为何会有南极臭氧空洞？为了更好地解释“南极臭氧空洞”这个大气现象，我们在这里首先引入一个概念Dobson，处于纪念制造观测大气臭氧的英国物理学家G.M.Dobso 的缘由，国际上通用的臭氧含量的单位为多普生单位，即 Dobson (DU)。1个
9、DU 相当于在0时一个标准大气压下百分之一厘米气柱长度，大气中臭氧的平均柱含量大约为300DU。据王维和介绍，南极臭氧的削减最早是在20世纪70年月由英国科学家通过地面观测首次觉察的，上图为南极地区10月份臭氧平均浓度自20世纪60年月到20世纪末期的变化 趋势10月份南极臭氧的平均含量从20世纪60年月的300DU 到20世纪末期降到100DU 左右， 几乎削减了三分之二。到了20世纪70年月末，人类通过卫星首次绘制了南极臭氧分布和南极臭氧洞图像。下 面这张图则是搭载在美国雨云7号卫星NIMBUS-7上的臭氧总量测绘光谱仪TOMS绘制的南极臭氧洞变化图，从图中可以看出，南极臭氧洞从20世纪8
10、0年月开头逐步加剧。臭氧洞通常指的臭氧总含量低于220DU 的区域。“通常来说，南极臭氧洞每年的8月份开头形成，10月初面积到达最大，掩盖的区域甚 至超过了南极大陆，臭氧浓度也降到最低水平。通过前面两张图片，清楚地说明白一个问题： 南极上空的臭氧层空洞，成一个波动增大的趋势。”王维和简洁地总结了一下南极臭氧层空洞的规律，那么到底是何缘由导致了这一现象呢？“关于臭氧洞的成因，目前全世界各国科学家普遍承受的解释是，臭氧洞是由臭氧消耗物质在南极特别的气象条件下形成的。”王维和描述道，在每年南半球的冬季的南极形成严寒的涡旋，气象学家称之为极涡。极涡的形成将南极大陆的冷空气与外界空气隔绝，使得赤道地区的
11、臭氧无法与南极上空的空气混合。同时，由于极涡内空气的温度可降至-80以下，在平流层中形成了特别的云，即极地平流层云。平流层云滴中含氢、氮、氯的各种化学物质通过光化学过程中被转化成活泼的自由基，快速将3个氧原子含量的臭氧O3分解为分子氧O2和原子氧O，从而破坏了臭氧层，形成了臭氧洞。风云三号气象卫星观测的2023年南极臭氧洞变化过程中间白色代表没有观测信号的极夜地区“至今为止由于尚缺乏在南极地区平流层中这些微量组分的数据，要想彻底地解释南极消灭臭氧洞的现象还不行能。通常认为人为因素中主要是由于人类活动排放到大气中的上述三类化学物质增加是破坏臭氧层的主要缘由之一。”臭氧层空洞的危害随着南极臭氧层空
12、洞的不断增大，全球臭氧层的整体的臭氧层浓度削减的状况。例如在 北半球中高纬度地区，在青藏高原地区以及其他高原地区也存在臭氧削减现象。王维和指出，这一现象直接威逼到了我们的生存环境。风云三号气象卫星2023年10月4日青藏高原地区臭氧低值区监测结果，深蓝色区域代表臭氧低值区10多年来，经科学家争论，得出结论：大气中的臭氧每削减1%。照耀到地面的紫外线 就增加2%，人的皮肤癌就增加3%，还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的攻击。现在居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民，就已尝到苦头，只要他们走出 家门，就要在衣服遮不住的肤面，涂上防晒油，戴上太阳眼镜，否则半小时后，皮肤就晒成明媚的
13、粉红色，并伴有痒痛；羊群则多患白内障，几乎全盲。据说那里的兔子眼睛全瞎，猎人可以轻易地拎起兔子耳朵带回家去，河里捕到的鲜鱼也都是盲鱼。三、对人类安康影响首先是增加皮肤癌，臭氧削减1%，皮肤癌患者增加4%6%，主要是黑色素癌；其次是损害眼睛，增加白内障患者；最终减弱免疫力，增加传染病患者。对生态影响。首先是农产品减产及其品质下降，试验200种作物对紫外线辐射增加的敏感性，结果2/3 有影响，尤其是大米、小麦、棉花、大豆、水果和洋白菜等人类常常食用的作物。估量臭氧削减1%，大豆减产1%；其次是削减渔业产量，紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海 洋浮游生物，试验说明，臭氧削减10%，紫外线辐射增加
14、20%，将会在15天内杀死全部生 活在10米水深内的鳗鱼幼鱼；最终是破坏森林，据争论，臭氧削减影响人类安康及生态系 统的主要机制是紫外线辐射的增加会破坏核糖核酸DNA，以转变遗传信息及破坏蛋白质。除了影响人类安康和生态外，因臭氧削减而造成的紫外辐射增多还会造成对工业生产的影响，如使塑料及其他高分子聚合物加速老化。设想假设臭氧层全部遭到破坏，太阳紫外线就会杀死全部陆地生命，人类也遭到“灭顶之灾“，地球将会成为无任何生命的不毛之地。可见，臭氧层空洞已威逼到人类的生存了。保护我们赖以生存的环境1995年左右，中心电视台曾经播放过一部一部环保主义的美国动画片地球超人，估 计很多80后的朋友都还有印象，
15、动画片主要是通过来自地球五大洲的五位少年的历险经受， 来告知人们保护环境的意义。其中大气臭氧层也被当做了一个重点做了介绍，向人们推广， 提倡杜绝使用氟利昂作为制冷剂。“没错，南极臭氧洞形成的因素可能有很多，但是我们需要通过提高自己的环保意识来 保护臭氧层，其中很关键的一点就是削减氟利昂的使用。”王维和最终谈到自己的一点看法。随着社会的进展，保护臭氧层也得到了全世界的认可。为了避开工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层连续造成恶化及损害，联合国于1987年9月16日邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔签署了环境保护公约，即蒙特利尔议定书又称作蒙特利尔公约，全名为“蒙特利 尔破坏臭氧层物质管制议定书Montreal Protocol on Substances that Depletethe Ozone Layer”，该公约自1989年1月1日起生效。蒙特利尔公约中规定各国有共同努力保护臭氧层的义务，但凡对臭氧层有不良影响的活动，各国均应实行适当防治措施，影响的层面涉及电子光学清洗剂、冷气机、发泡剂、喷雾剂、灭火器等等。到目前为止，已有150多个政府批准了这项条约。生产和消费氯氟烃CFCs和其它消耗臭氧层物质ODS已经被奇迹般地削减了将近70%。氯氟烃的重复利用被广泛地承受。而且，臭氧安全技术现在已经可行
