网站地图
臭氧层

臭氧层是大气层的平流层中臭氧浓度高的层次。浓度最大的部分位于2025公里的高度处。若把臭氧层的臭氧校订到标准情况,则其厚度平均仅为3毫米左右。臭氧含量随纬度、季节和天气等变化而不同。紫外辐射在高空被臭氧吸收,对大气有增温作用,同时保护了地球上的生物免受远紫外辐射的伤害,透过的少量紫外辐射,有杀菌作用,对生物大有裨益。

人类真正认识臭氧是在150多年以前,德国先贝因(Schanbein)博士首次提出在水电解及火花放电中产生的臭味,同在自然界闪电后产生的气味相同,先贝因博士认为其气味难闻,由此将其命名为臭氧。臭氧层由法国科学家法布里于20世纪初发现。1930年英国地球物理学家卡普曼提出,大气中的臭氧主要是由氧原子同氧分子,在有第三种中性分子参与下进行三体碰撞时产生。60公里以上的高空,太阳紫外线强,氧分子大量离解,三体碰撞机会减少,臭氧含量极少。5公里以下低空,紫外线大大减弱,氧原子很少,难以形成臭氧。在20~25公里高度范围内,既有足够的氧原子,又有足够的氧分子,最有利于三体碰撞,形成的臭氧每年约有500亿吨。 [1]

自然界中的臭氧,大多分布在距地面20Km--50Km的大气中,我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。太阳光线中的紫外线分为长波和短波两种,当大气中(含有21%)的氧气分子受到短波紫外线照射时,氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强,极易与其他物质发生反应。如与氢(H2)反应生成水(H2O),与碳(C)反应生成二氧化碳(CO2)。同样的,与氧分子(O2)反应时,就形成了臭氧(O3)。臭氧形成后,由于其比重大于氧气,会逐渐的向臭氧层的底层降落,在降落过程中随着温度的变化(上升),臭氧不稳定性愈趋明显,再受到长波紫外线的照射,再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。 [2]

地球大气层中臭氧总量有较明显的时空变化:赤道附近最低,纬度60°附近最高;任一地区在春季最大,秋季最小;在一天内臭氧含量通常是夜间高于白天;在亚洲中纬度地带,当西伯利亚气团侵入时,臭氧总量明显增加,而赤道气团来临时,其总量减小。 [3]

太阳的紫外线大概有近1%部分可达地面。尤其是在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围的紫外线较多,存在比较丰富的臭氧 。

大气臭氧层主要有三个作用。其一为保护作用,臭氧层能够吸收太阳光中的波长306.3nm以下的紫外线,主要是一部分UVB(波长290~300nm)和全部的UVC(波长<290nm=,保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B能够辐射到地面,长波紫外线对生物细胞的伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍 。

其二为加热作用,臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气,由于这种作用大气温度结构在高度50km左右有一个峰,地球上空15~50km存在着升温层。正是由于存在着臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气,所以也就不存在平流层。 大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响,这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。

其三为温室气体的作用,在对流层上部和平流层底部,即在气温很低的这一高度,臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少,则会产生使地面气温下降的动力。因此,臭氧的高度分布及变化是极其重要的。

流层中的臭氧吸收掉太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害波长的紫外线辐射(240-329纳米,称为UV-B波长),为地球提供了一个防止紫外辐射有害效应的屏障。但另一方面,臭氧遍布整个对流层,却起着温室气体的不利作用。在平流层中臭氧耗损,主要是通过动态迁移到对流层,在那里得到大部分具有活性催化作用的基质和载体分子,从而发生化学反应而被消耗掉。臭氧主要是与HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活泼自由基发生同族气相反应。 [4]

关于臭氧层变化及破坏的原因,一般认为,太阳活动引起的太阳辐射强度变化,大气运动引起的大气温度场和压力场的变化以及与臭氧生成有关的化学成分的移动、输送都将对臭氧的光化学平衡产生影响,从而影响臭氧的浓度和分布。而化学反应物的引入,则将直接地参与反应而对臭氧浓度产生更大的影响。人类活动的影响,主要表现为对消耗臭氧层物质的生产、消费和排放方面。

大气中的臭氧可以与许多物质起反应而被消耗和破坏。在所有与臭氧起反应的物质中,最简单而又最活泼的是含碳、氢、氯和氮几种元素的化学物质,如氧化亚氮(N2O)、水蒸汽(H2O)、四氯化碳(CCl4)、甲烷(CH4)和现在最受重视的氯氟烃(CFC)等。这些物质在低层大气层正常情况下是稳定的,但在平流层受紫外线照射活化后就变成了臭氧消耗物质。这种反应消耗掉平流层中的臭氧,打破了臭氧的平衡,导致地面紫外线辐射的增加,从而给地球生态和人类带来一系列问题。 [5]

臭氧层被大量损耗后,吸收紫外辐射的能力大大减弱,导致到达地球表面的紫外线B明显增加,给人类健康和生态环境带来多方面的的危害,已受到人们普遍关注的主要有对人体健康、陆生植物、水生生态系统、生物化学循环、材料、以及对流层大气组成和空气质量等方面的影响。

臭氧量的减少、臭氧层的被破坏使到达地面的紫外线辐射量增加。其中UV-B紫外线波段增加更多。UV-B紫外线辐射的增加,将会对人体健康产生很大影响。相关研究表明,紫外线除了在人类皮肤中产生VD外,未发现其他有益效应。紫外线对人体的危害却较大。主要表现在影响人类皮肤、眼睛及免疫系统。

实验证明紫外线会损伤角膜和眼晶体,如引起白内障、眼球晶体变形等。据分析,平流层臭氧减少1%,全球白内障的发病率将增加0.6-0.8%,全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10,000到15,000人;如果不对紫外线的增加采取措施,到2075年,UV-B辐射的增加将导致大约1800万例白内障病例的发生。

紫外线UV-B段的增加能明显地诱发人类常患的三种皮肤疾病。这三种皮肤疾病中,巴塞尔皮肤瘤和鳞状皮肤瘤是非恶性的。利用动物实验和人类流行病学的数据资料得到的最新的研究结果显示,若臭氧浓度下降10%,非恶性皮肤瘤的发病率将会增加26%。另外的一种恶性黑瘤是非常危险的皮肤病,科学研究也揭示了UV-B段紫外线与恶性黑瘤发病率的内在联系,这种危害对浅肤色的人群特别是儿童期尤其严重;

人体免疫系统中的一部分存在于皮肤内,使得免疫系统可直接接触紫外线照射。动物实验发现紫外线照射会减少人体对皮肤癌、传染病及其他抗原体的免疫反应,进而导致对重复的外界刺激丧失免疫反应。人体研究结果也表明暴露于紫外线B中会抑制免疫反应,人体中这些对传染性疾病的免疫反应的重要性还不十分清楚。但在世界上一些传染病对人体健康影响较大的地区以及免疫功能不完善的人群中,增加的UV-B辐射对免疫反应的抑制影响相当大。

已有研究表明,长期暴露于强紫外线的辐射下,会导致细胞内的DNA改变,人体免疫系统的机能减退,人体抵抗疾病的能力下降。这将使许多发展中国家本来就不好的健康状况更加恶化,大量疾病的发病率和严重程度都会增加,尤其是包括麻疹、水痘、疱疹等病毒性疾病,疟疾等通过皮肤传染的寄生虫病,肺结核和麻疯病等细菌感染以及真菌感染疾病等。 [2]

虽然植物已发展了对抗UV- 8高水平的保护性机制,但实验研究表明,它们对波长为280~ 320纳米水平增加的应变能力差异甚大。迄今为止,已对200多种不同的植物进行了波长为280~ 320纳米的紫外线敏感性试验,发现其中2/3产生了反应。敏感的物种如棉花、豌豆、大豆、甜瓜和卷心菜,都发现生长缓慢,有些花粉不能萌发。它能损伤植物激素和叶绿素,从而使光合作用降低。 [2]

平流层中臭氧对气候调节具有两种相反的效应,如果平流层中臭氧浓度降低,在这里吸收掉的紫外线辐射就会相应减少,平流层自身会变冷,这样释放出的红外辐射就会减少,因之会使地球变冷。另一方面,因辐射到地面的紫外线辐射量增加,会使地球增温变暖。如果整个平流层中臭氧浓度的减少是均匀的,则上述两种效应可以互相抵消,但是如果平流层的不同区域的臭氧层浓度降低不一致,两种效应就不会相互抵消。现在的状况是,平流层臭氧层减少呈不均匀减少趋势,这种变化的净效应如何,还有待科学研究进一步证实。 [5]

臭氧减少带来的危险已受到国际社会的普遍关注,为了保护臭氧层免遭破坏,以更好地保护生态环境,国际上保护臭氧层的行动已持续了20余年。

1、建立国际间和各国的臭氧层保护法律约束机制,控制破坏臭氧层物质的排放。

国际上先后通过了《关于臭氧层保护计划》、《保护臭氧层维也纳公约》、《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。我国于1991年6月签署了《议定书》的伦敦修正案,目前《议定书》的缔约方已达168个。1994年第52次联合国大会决定,把每年的9月16日定为国际保护臭氧层日。我国正在为实现《议定书》规定的指标而努力,制定并实施了20余项有关保护臭氧层的政策。这对减少消耗臭氧层物质浓度及保护臭氧层具有重要意义。

2、加强氟里昂代用品的研究开发力度

氟里昂替代品的开发受到了广泛受到重视,目前主要包括含氢的氟里昂,其在到达臭氧层之前的对流圈被分解。或者用不含氯的氟里昂,如F32,F215,F134a和F143等,即使它们到达臭氧层也不会产生破坏作用。有的替代品则是不含F和Cl的有机物,如精制的石油气和二甲醚、烷烃、氮气、二氧化碳等。此外,回收和分解氟氯烃的研究工作也正在进行。

3、提高对保护臭氧层的认识,牢固树立环境意识

尽管人类企图寻找另一个与地球相近、可供人类生存的星球,但不得不承认地球仍然是人类的唯一家园,人离开地球将无法生存。因此,必须善待地球、善待自然,不能以牺牲环境为代价,片面强调发展的速度与数量。相反,应强调人与自然的和谐,强调资源的持续利用,认识臭氧层的作用,增强生态环境意识,共同维护地球。 [2]

由于臭氧有其特殊的性质,并易受各种因素的影响,所以臭氧层又是十分脆弱的。卫星观测资料表明,自20世纪70年代以来,全球臭氧总量明显减少,1979年~ 1990年全球臭氧总量大致下降了3%。南极附近臭氧量减少尤为严重,大约低于全球臭氧平均值30%~ 40%,出现了“南极臭氧洞”。自1985年发现“臭氧洞”以来,到1987年它变得既宽又深,1988年虽然有所缓解,但1989年以后到90年代的前几年里,每年南半球春季都出现很强的“臭氧洞”,1994年到1996年南极臭氧洞还在扩大。最近,从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回的数据获悉,“南极臭氧洞”面积已达2400平方千米,最薄处只有100多布森单位(100dobson,相当于1毫米厚度)。 [5]

2014年9月12日,负责近4年臭氧水平评估的美国航天局科学家保尔纽曼说,2000年至2013年,中北纬度地区50公里高度的臭氧水平已回升4%。科学家把这种积极变化归功于全球对某些制冷剂、发泡剂的限制使用,同时说明只要全球行动,人类可以抵制或者延缓生态危机。联合国组织300名科学家对地球臭氧水平进行持续监测,每4年为一个评估期。另外,臭氧层虽然在恢复,距离痊愈还很遥远。南极臭氧层空洞依旧存在,最新计算显示,臭氧浓度水平仍比1980年低6%。先前有预测认为,南极臭氧层空洞可能在2065年前完全消失。联合国环境项目执行主管阿希姆施泰纳依据最新数据判断,臭氧层可能会在本世纪中期实现痊愈,但仍需仰仗各国的共同努力。

2014年9月10日,世界气象组织与联合国环境规划署发布报告说,地球臭氧层有望在未来几十年内得到恢复。两个组织当天发布的《2014年臭氧层消耗科学评估报告》摘要版指出,国际社会于1987年达成的《蒙特利尔议定书》为减少消耗臭氧层物质的排放作出了巨大贡献。基于该议定书及相关协定开展的行动成功降低了曾用于冰箱、喷雾器、绝缘泡沫塑料和灭火器等产品的氟氯化碳和哈龙等气体在大气中的丰度。

报告指出,如果能够全面遵循《蒙特利尔议定书》,中纬度地区和北极上空的臭氧层有望在本世纪中叶以前恢复到1980年的基准水平(臭氧层出现严重消耗之前的水平),南极部分地区有望在晚些时候恢复到这一水平。 [6]


相关文章推荐:
臭氧 | 水电解 | 氧分子 | 氧原子 | 臭氧 | 长波 | 动态平衡 | 大气污染 | 中波 | 臭氧 | 温室气体 | 对流层 | 生态环境 | 生态系统 | 角膜 | 巴塞尔 | 人体免疫系统 | 麻疹 | 水痘 | 疱疹 | 疟疾 | 寄生虫 | 肺结核 | 麻疯病 |
相关词汇词典