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关于南极臭氧空洞你应该知道的那些事

  从20世纪90年代开始作为讨论热点的南极上空臭氧层空洞危机,到近几年成为焦点的近地面层臭氧污染,臭氧一直在扮演着一个吸引公众眼球的角色。作为大气中一种微量气体,为什么它能持续地引发公众的兴趣,臭氧到底是什么?它是如何形成的?它有哪些对人有益的属性?又有哪些有害的属性?高空臭氧和近地面臭氧具有相同的作用还是截然相反的作用?

  臭氧到底是什么

  空气中的氧,最基本的存在形式是氧原子(O),两个氧原子结合到一起就成了氧气(O2),三个氧原子结合到一起就成了臭氧(O3),所以臭氧并不是什么神秘或是特殊的东西,它就是氧的三种同素异形体之一,从存在形式上可以理解为氧气的不同形态,或是多了一个氧原子的氧气。

  一般来讲,臭氧主要分布在对流层和平流层,在这两个不同的层面上,臭氧形成的机理有所不同,其造成的危害也有所差别。

  平流层臭氧是如何形成的,它有什么重要作用

  当大气中的氧气分子受到短波紫外线照射时,一部分氧气分子会分解为氧原子,氧原子的不稳定属性让它很容易与周围的分子发生反应,如与氢气(H2)反应就生成了水(H2O),与氧气(O2)反应就生成了臭氧(O3)。当臭氧形成以后,由于其比重比氧气大(多了一个氧原子),因此会逐渐下降。在下降的过程中,由于温度不断升高(绝大多数情况下,气温随高度升高而降低,越接近地面温度越高),再加上长波辐射的作用,一部分臭氧(O3)又重新还原为氧(O)和氧气(O2)。在大气层中一定的高度(一般是20~25千米),氧气和臭氧会达到一个动态平衡,从而形成一个比较稳定的臭氧分布层,这一大气层中的臭氧含量约占高空大气层中臭氧含量的90%,而其他10%的臭氧分布在更高的25~50千米,我们一般把臭氧含量较高的20~50千米的大气层称为臭氧层。

  造成臭氧层空洞最主要的原因是氟氯碳化合物(CFCs,俗称氟利昂,空调制冷剂)和含溴化合物哈龙(Halons,灭火剂原料)与臭氧发生反应,破坏臭氧层。

  人类释放的CFCs和Halons分子都比空气分子重,但由于这些物质在对流层是化学惰性和稳定的,基本无法通过化学反应消除,可以存在很长时间。在这段时间里,这些物质通过扩散,基本会在全球范围内的对流层达到一种均匀分布的状态,而对流层顶的高度各个地方并不相同,并且会随着纬度和季节的变化而发生变化。一般来讲,赤道附近最高(约18千米),两极附近最低(约8千米),在两者之间的副热带地区会产生不连续现象,从而形成对流层顶缺口。在这个缺口处,上下层的空气混合运动非常强烈,CFCs和Halons便会通过这种方式进入平流层,风又将它们从低纬度地区向高纬度地区输送,在平流层内混合均匀。平流层接收到强烈的紫外线照射使CFCs和Halons本来稳定的化学性质变得活跃,其分子会发生解离,从而释放出高活性的、原子态的氯和溴的自由基,它们很容易与臭氧分子发生化学反应,从而破坏臭氧层。非常可怕的是,根据估算,一个氯原子自由基可以破坏104~105个臭氧分子,而一个溴原子自由基对臭氧分子的破坏能力是氯原子的30~60倍,而且两者同时存在时,其对臭氧分子的破坏力呈指数级增加。所以即使进入大气中的CFCs和Halons量很少,也会对臭氧层产生巨大的破坏力。

  太阳光中存在对生物生存有害的紫外线,而在一般情况下,作为地球的“保护伞”和“防护罩”,平流层中的臭氧几乎吸收了所有对生物有害的紫外线,所以如果臭氧层被破坏,将会严重影响大气环境及人类和其他生物的生存。对人类来说,过度的阳光照射会引起皮肤病,过量的紫外线照射被认为是导致白内障的主要原因,免疫系统也会因为照射过多的紫外线而出现问题。紫外线的增强还会导致农作物减产,影响植物的光合作用等。

  对流层臭氧是如何形成的,有哪些危害

  对流层臭氧和平流层臭氧的形成机理有所不同。在对流层中,人类活动排放的氮氧化合物(NOx)、非甲烷总烃(NMHC,通常是指除甲烷以外的所有可挥发的碳氢化合物)和一氧化碳(CO)等污染物,经光化学反应可以在低层大气中产生二次污染物臭氧(O3),并进一步引发城市光化学的二次污染。随着工业的发展和人类活动的不断增强,氮氧化合物、非甲烷总烃和一氧化碳这些能够通过反应,在对流层中生成臭氧的物质的排放量会越来越多,从而导致对流层臭氧对人类环境和人体健康影响越来越大。

  对流层臭氧对人体健康的影响主要体现在对呼吸道的强烈刺激,损害肺功能,对有支气管疾病和哮喘的人尤其明显;暴露在一定浓度的臭氧环境下的植物叶片在很短的时间内就会出现点彩状和青铜色伤斑;臭氧对衣物、建筑材料等物质也会有破坏作用,如使纺织物褪色,加速橡胶和塑料的老化。

  除了对人体和生物健康的威胁和影响外,臭氧作为对流层大气中非常重要的氧化剂之一,能够直接或间接地参与几乎所有的大气光化学过程,比如可以促进二氧化硫(SO2)的氧化过程,从而间接地催生酸雨污染;比如可以促进细微颗粒物的生成和长大,造成气溶胶颗粒物污染等。

  对平流层臭氧的保护和对流层臭氧的控制

  平流层臭氧是地球生命的“保护伞”和“守护神”,我们要懂得保护它。1987年9月16日,在加拿大蒙特利尔召开的国际臭氧层保护大会上通过的《蒙特利尔议定书》,要求缔约国要限制使用氟氯化碳和其他耗竭臭氧的化学物质。1995年,联合国大会把每年的9月16日作为国际保护臭氧日。2007年9月召开的议定书第19次缔约方大会达成了“在2030年之前全球范围内彻底停止生产和使用主要消耗臭氧层物质”的协定,这对进一步保护对流层臭氧,避免造成更大范围的臭氧层空洞具有非常重要的现实意义。

  相对于平流层臭氧的保护,对流层臭氧的控制也许更难。我国还处于经济迅猛发展阶段,能源的消耗仍将长期维持大幅度增加,这些都是可能引发平流层臭氧损耗和对流层光化学污染的潜在危险,尤其是对流层污染的加剧,会直接或间接造成区域光化学污染、霾天气、酸雨等一系列污染问题。

  总之,加强对平流层臭氧的保护和对流层臭氧的控制,对于我们保护环境,建设生态文明城市都具有重要意义,需要全社会行动起来。

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