臭氧层空洞

Ozone hole

1984年,英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。大气臭氧层的损耗是当前世界上又一个普遍关注的全球性大气环境问题,它同样直接关系到生物圈的安危和人类的生存。

由于臭氧层中臭氧的减少,照射到地面的太阳光紫外线增强,其中波长为240~329纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用,对生物圈中的生态系统和各种生物,包括人类,都会产生不利的影响。2012年末,南极臭氧空洞历史性的降至1989年来最小面积。尽管南极洲上空的臭氧空洞正在逐渐减小,但是截止2014年10月,其大小仍与北美洲相当。

臭氧层空洞的形成原因

经过跟踪、监测,科学家们找到了臭氧层损耗即臭氧空洞的形成原因。一种大量用作制冷剂、喷雾剂、发泡剂等化工制剂的氟氯烃是导致臭氧减少的“罪魁祸首”。[1]另外,寒冷也是臭氧层变薄的关键,这就是为什么首先在地球南北极最冷地区出现臭氧空洞的原因了。

人类活动排入大气中的一些物质进入平流层与那里的臭氧发生化学反应,就会导致臭氧耗损,使臭氧浓度减少。

人为消耗臭氧层的物质主要是:广泛用于冰箱和空调制冷、泡沫塑料发泡、电子器件清洗的氯氟烷烃(CFxCl4-x,又称Freon),以及用于特殊场合灭火的溴氟烷烃(CFXBr4-x,又称Halons哈龙)等化学物质。

对南极臭氧洞形成原因的解释有三种,即大气化学过程解释,太阳活动影响和大气动力学解释。

大气化学

大气化学过程解释,认为臭氧层中可以产生某种大气化学反应,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;

国际组织《关于耗损臭氧层物质的蒙特利尔议定书》规定了15种氯氟烷烃、 3种哈龙、40种含氢氯氟烷烃、34种含氢溴氟烷烃、四氯化碳(CCl4)、甲基氯仿(CH3CCl3)和甲基溴(CH3Br)为控制使用的消耗臭氧层物质,也称受控物质。其中含氢氯氟烷烃(如,HCFCl2)类物质是氯氟烷烃的一种过渡性替代品,因其含有H,使得它在底层大气易于分解,对O3层的破坏能力低于氯氟烷烃,但长期和大量使用对O3层危害也很大。

在工程和生产中作为溶剂的四氯化碳(CCl4)和甲基氯仿(CH3CCl3),同样具有很大的破坏臭氧层的潜值,所以也被列为受控物质。

溴氟烷烃主要是哈龙:哈龙1211(CF2BrCl)、哈龙1310(CF3Br)、哈龙2420(C2F4Br2),这些物质一般用作特殊场合的灭火剂。此类物质对臭氧层最具破坏性,比氯氟烷烃高3~10倍,1994年发达国家已经停止这3种哈龙的生产。

研究发现,核爆炸、航空器发射、超音速飞机将大量的氮氧化物注入平流层中,也会使臭氧浓度下降。

太阳活动

太阳活动影响解释,认为当太阳活动峰年(即太阳活动强烈的时期)前后,宇宙射线明显增强,促使双电子氮化物(如NO2)与O3发生化学反应,使得奇电子氮化物(如NO3)增加,O3转换为O2,从而破坏了臭氧层;

大气动力学

大气动力学解释认为,初春,极夜结束,太阳辐射加热空气,产生上升运动,将对流层臭氧浓度低的空气输入平流层,使得平流层臭氧含量减小,容易出现臭氧洞。

一般认为,在人为因素中,工业上大量使用氟里昂气体是破坏臭氧层的主要原因之一。通常,氟里昂是比较稳定的物质,然而,当它被大气环流带到平流层(16公里~30公里)时,由于受太阳紫外线的照射,容易形成游离的氯离子。这些氯离子非常活泼,容易与臭氧起化学反应,把臭氧(O3)变成氧分子(O2)和氧原子(O),从而使臭氧总量减少,形成了臭氧洞。

本来,在离地20公里~30公里的大气层内,是臭氧集中分布的地带,称作臭氧层,太阳辐射透过这层大气时,大量的臭氧吸收了波长较短的紫外线辐射(0.20微米~0.30微米波段),大大减弱了到达地面太阳辐射中的紫外线强度。然而,若臭氧层的臭氧含量大大减少,则吸收太阳紫外线辐射的能力减弱,到达地面的太阳辐射强度会增大。

从医学上来说,较短波的紫外线辐射杀伤能力最大,能杀死细胞,破坏生物细胞内的遗传物质,如染色体、脱氧核糖核酸等,严重时会导致生物的遗传病,产生突变体,导致人类的皮肤癌。强烈的紫外线还可以穿透海洋10米~30米,使海洋浮游植物的初级生产力降低四分之三左右,抑制浮游动物生长。人们一旦了解了臭氧洞的危害和形成原因,相信会对臭氧洞演变的预测和防止提出新的理论和方法。

在臭氧层内各地分布不均匀,世界三极地区即南极、北极和青藏高原气候寒冷,臭氧层微薄。某处臭氧层中臭氧含量的减少等于在屋顶上开了天窗,如果减少到正常值的50%以上,人们形象地说这是个臭氧洞。

臭氧洞可以用一个三维的结构来描述,即臭氧洞的面积、深度及延续时间。 南极臭氧洞2000年9月3日南极上空的臭氧层空洞面积达到2830万平方公里,超出中国面积两倍以上,相当于美国领土面积的3倍。这是迄今观测到的最大的臭氧层洞。图中覆盖在南极上空如同兰色水滴的就是就是卫星观测到的臭氧洞。

南极是一个非常寒冷的地区,终年被冰雪覆盖,四周环绕着海洋。1985 年,英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现:1977-1984年每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%,有近 95% 的臭氧被破坏。1985年前南极臭氧洞大小和深度,大约以两年为消长周期。

臭氧层空洞的现状

到2000年10月,南极上空臭氧洞的面积大约为2900万平方英里,这是迄今为止观测到臭氧空洞的最大面积。从NASA发布的图片上可以看到,臭氧洞像一个大的蓝水滴,完全罩在南极的上空,并延伸到南美的南端。

臭氧空洞增大的速度是惊人的,特别是近南极上空的臭氧空洞有恶化的趋势。根据全球总臭氧观测的结果表明,在过去10-15年间,每到春天南极上空平流层的臭氧都会发生急剧的大规模耗损。1987年10月,南极上空的臭氧浓度下降到了1957-1978年间的一半,臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。

从那以后,臭氧浓度下降的速度还在加快,有时甚至减少到只剩30%,臭氧洞的面积也在不断扩大。1994年10月观测到臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展,1995年观测到的臭氧洞的天数是77天,到1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏,臭氧洞发生天数增加到80天。1997年至今,科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前,1998年臭氧洞的持续时间超过100天,是南极臭氧洞发现以来的最长记录,而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%,几乎可以相当三个澳大利亚的面积。这一迹象表明,南极臭氧洞的损耗状况正在恶化之中。臭氧在大气中从地面到70千米的高空都有分布,其最大浓度在中纬度24千米的高空,向极地缓慢降低,最小浓度在极地17千米的高空。20世纪50年代末到70年代就发现臭氧浓度有减少的趋势。

据美国国家航空航天局(NASA)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的卫星数据显示,臭氧层空洞的历史最大值发生在2000年9月6日,面积达2990万平方公里,这个数据相当于美国、加拿大和墨西哥国土面积的总和。到2012年,他们记录到的臭氧空洞当年最大值,发生在9月22日,面积为2120万平方公里,已缩小了41%。而2012年南极臭氧层空洞的平均面积最小值为1790万平方公里,这也是过去20年来的第二小值。我们终于看到了相对乐观的结果。

“人类制造的化学品中的氯元素是导致臭氧层形成空洞的罪魁祸首,目前在南极平流层中仍存在着相当可观的氯。”美国国家航空航天局戈达德航天中心的大气学家保罗·纽曼说,“自然界本身的气流震荡模式造成今年大气中平流层的温度高于常年。正是这样的升温现象造成了臭氧层空洞的缩小。”

据观测,大气中的臭氧耗损物质浓度已经停止上升,并呈现逐渐降低的趋势。从这样的情况看,大气中的臭氧浓度将不再降低。但由于臭氧耗损物质分解缓慢,纽曼认为,可能要到2065年南极臭氧层才能恢复到当年的水平。不过总体来说,臭氧层的恢复仍要归功于国际协定对耗损臭氧的化学品生产的管制。

臭氧层空洞的威胁

对人类生存

10多年来,经科学家研究;大气中的臭氧每减少1%,照射到地面的紫外线就增加2%,人的皮肤癌患病率就增加3%,还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击。居住在距南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民,已尝到苦头,只要走出家门,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,皮肤就晒成鲜艳的粉红色,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。

推而广之,若臭氧层全部遭到破坏,太阳紫外线就会杀死所有陆地生命,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,臭氧层空洞已威胁到人类的生存了。

1987年,主要工业国签署了《蒙特利尔公约》,要求逐步停止使用危害臭氧层的化学物质。而且已有更健康的第三代制冷剂出现了,这就是氨。氨是自然存在的物质,由氢和氮元素组成,对环境影响微乎其微。

对生物圈

由于臭氧层中臭氧的减少,照射到地面的太阳光紫外线增强,其中波长为240~329纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用,对生物圈中的生态系统和各种生物,包括人类,都会产生不利的影响。

臭氧层破坏以后,人体直接暴露于紫外辐射的机会大大增加,这将给人体健康带来不少麻烦。首先,紫外辐射增强使患呼吸系统传染病的人增加;受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率。此外,强烈的紫外辐射促使皮肤老化。

臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响。近十几年来,人们对200多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验,其中三分之二的植物显示出敏感性。一般说来,紫外辐射增加使植物的叶片变小,因而减少俘获阳光的有效面积,对光合作用产生影响。对大豆的研究初步结果表明,紫外辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害。臭氧层厚度减少25%,可使大豆减产20~25%。

紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧,使橡胶、塑料等有机材料加速老化,使油漆褪色等。

臭氧除了能够对气候变化产生影响,从而影响环境和生态外,还对人类健康产生强烈的直接影响。由实验及实际观测推论会造成以下的影响。

有关臭氧层空洞的其他内容