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    3. 臭氧空洞

      臭氧层是大气平流层中臭氧浓度最大处,是地球的一个保护层,太阳紫外线辐射大部被其吸收。有学者认为南极臭氧层空洞是一种自然现象。关于臭氧层空洞的成因,尚有待进一步研究。

      编辑摘要

      基本信息 编辑信息模块

      中文名称: 臭氧空洞 外文名: Ozone hole
      发现时间: 1984年
      波长: 240~329纳米 导致原因: 氟氯烃
      发现地点: 南极上空 影 响: 生物圈的安危和人类的生存
      • 疯狂海盗日本气象厅2012年10月发布信息显示,今年9月空洞面积扩大到2080万平方公里,比迄今观测最高值2000年的2960万平方公里大幅缩小,是1989年以来最小面积。日气象厅说南极臭氧层要恢复到1980年前水平需等到本世纪中叶。

      目录

      概述/臭氧空洞 编辑

      英文:ozonosphere hole depletion of o-zone layer

      南极上空臭氧层空洞 南极上空臭氧层空洞

      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。1985年英国南极考察队在南纬60°地区观测发现臭氧层空洞,引起世界各国极大关注。臭氧层的臭氧浓度减少,使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加,对生态环境产生破坏作用,影响人类和其他生物有机体的正常生存。关于臭氧层空洞的形成,在世界上占主导地位的是人类活动化学假说:人类大量使用的氯氟烷烃化学物质(如制冷剂、发泡剂、清洗剂等)在大气对流层中不易分解,当其进入平流层后受到强烈紫外线照射,分解产生氯游离基,游离基同臭氧发生化学反应,使臭氧浓度减少,从而造成臭氧层的严重破坏。为此,于1987年在世界范围内签订了限量生产和使用氯氟烷烃等物质的蒙特利尔协定。

      学者分析

      认为南极臭氧层空洞是一种自然现象。关于臭氧层空洞的成因,尚有待进一步研究。

      科学家认为,臭氧空洞面积较小的主要原因在于气候,而不是因为破坏臭氧层的化学气体排放减少。英国南极考察科学家阿兰·罗杰说,去南极上空臭氧空洞缩小在历史记录上应被看作是个别现象。因此,臭氧层空洞面积有可能进一步扩大。

      大气圈的臭氧入不敷出,浓度降低。科学家在1985年首次发现: 1984年9、10月间,南极上空的臭氧层中,臭氧的浓度较20世纪70年代中期降低40%,已不能充分阻挡过量的紫外线,造成这个保护生命的特殊圈层出现“空洞”,威胁着南极海洋中浮游植物的生存。据世界气象组织的报告:1994年发现北极地区上空平流层中的臭氧含量,也有减少,在某些月份比20世纪60年代减少了25-30%。而南极上空臭氧层的空洞还在扩大,1998年9月创下了面积最大达到2500万平方公里的历史记录。

      臭氧层为什么会出现“空洞”?许多科学家认为,是使用氟利昂作制冷剂及在其他方面使用的结果。氟利昂由碳、氯、氟组成,其中的氯离子释放出来进入大气后,能反复破坏臭氧分子,自己仍保持原状,因此尽管其量甚微,也能使臭氧分子减少到形成“空洞”。我国科学家新近提出,仅仅是氟利昂的作用还不够,太阳风射来的粒子流在地磁场的作用下向地磁两极集中,并破坏了那里的臭氧分子,这才是主要原因。(杨学祥,1999)而无论如何,人为地将氯离子送进大气,终是一种有害行为。

      20世纪70年代,当时英国的科学家通过观测首先发现,在地球南极上空的大气层中,臭氧的含量开始逐渐减少,尤其在每年的9-10月(这时相当于南半球的春季)减少更为明显。美国的“云雨7号”卫星进一步探测表明,臭氧减少的区域位于南极上空,呈椭圆形,1985年已和美国整个国土面积相似。这一切就好像天空塌陷了一块似的,科学家把这个现象称为南极臭氧洞 南极臭氧洞的发现使人们深感不安,它表明包围在地球外的臭氧层已经处于危机之中。于是科学家在南极设立了研究中心,进一步研究臭氧层的破坏情况。1989年,科学家又赴北极进行考察研究,结果发现北极上空的臭氧层也已遭到严重破坏,但程度比南极要轻一些。

      大事记

      1977年4月,联合国环境规划署理事会在美国华盛顿哥伦比亚特区召开了有32个国家参加的“评价整个臭氧层”国际会议。

      会议通过了第一个“关于臭氧层行动的世界计划”。这个计划包括监测臭氧和太阳辐射、评价臭氧耗损对人类健康影响、对生态系统和气候影响等,并要求联合国环境规划署建立一个臭氧层问题协调委员会。

      1980年,协调委员会提出了臭氧耗损严重威胁着人类和地球的生态系统这一评价结论。

      1981年,联合国环境规划署理事会建立了一个工作小组起草保护臭氧层的全球性公约。

      经过4年的艰苦工作,1985年4月,在奥地利首都维也纳通过了有关保护臭氧层的国际公约——《保护臭氧层维也纳公约》。该公约从1988年9月生效。

      这个公约只规定了交换有关臭氧层信息和数据的条款,但是对控制消耗臭氧层物质的条款却没有约束力。以后在《保护臭氧层维也纳公约》基础上,联合国环境规划署为了进一步对氯氟烃类物质进行控制,在审查世界各国氯氟烃类物质生产、使用、贸易的统计情况后,通过多次国际会议协商和讨论,于1987年9月16日在加拿大的蒙特利尔会议上,通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,并于1989年1月1日起生效。蒙特利尔议定书规定,参与条约的每个成员组织,将冻结并依照缩减时间表来减少5种氟利昂的生产和消耗,冻结并减少3种溴化物的生产和消耗。5种氟利昂的大部分消耗量,从1989年7月1日起冻结在1986年使用量的水平上;从1993年7月1日起,其消耗量不得超过1986年使用量的80%;从1998年7月1日起,减少到1986年使用量的50%。

      蒙特利尔议定书实施后的调查表明,根据议定书规定的控制进程及效果并不理想。1989年3月~5月,联合国环境规划署连续召开了保护臭氧层伦敦会议与《公约》和《议定书》缔约国第一次会议——赫尔辛基会议,进一步强调保护臭氧层的紧迫性,并于1989年5月2日通过了《保护臭氧层赫尔辛基宣言》,鼓励所有尚未参加《保护臭氧层维也纳公约》及《蒙特利尔议定书》的国家尽早参加;同意在适当考虑发展中国家特别情况下,尽可能地但不迟于2000年取消受控制氯氟烃类物质的生产和使用;尽可能早地控制和削减其它消耗臭氧层的物质;加速替代产品和技术的研究开发;促进发展中国家获得有关科学情报、研究成果和培训,并寻求发展适当资金机制促进以最低价格向发展中国家转让技术和替换设备。1990年6月20~29日,联合国环境规划署在伦敦召开了关于控制消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约国第二次会议。57个缔约国中的53个国家的环境部长或高级官员及参加议定书的欧洲共同体的代表参加了会议。此外,还有49个非缔约国的代表出席了会议。这次会议又通过了若干补充条款,修正和扩大了对有害臭氧层物质的控制范围,受控物质从原来的2类8种扩大到7类上百种。规定缔约国在2000年或更早的时间里淘汰氟利昂和哈龙;四氯化碳到1995年将减少85%,到2000年将全部被淘汰;到2000年,三氯乙烷将减少70%,2005年以前全部被淘汰。这次会议对第一次会议通过的议定书中未涉及到“过渡物质”——氢氟氯烃(HCFCs)(这种物质对臭氧层的潜在危险远小于氟利昂),也提出了反对无节制地使用的要求。蒙特利尔议定书缔约国第二次会议建立了国际臭氧层保护基金会,最初3年的金额为2.4亿美元。这笔钱将主要用于发展中国家氟里昂替代物的研究、人员培训和进行区域研究,并要面向发展中国家发展的整体需求。

      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)已经被奇迹般地减少了将近70%。氯氟烃的重复利用被广泛地采用。而且,臭氧安全技术已经可行并被广泛采用。监测表明,大气中消耗臭氧层物质增长速度已经逐渐减慢。大气中甲基溴的含量也已经减少。但是,臭氧层是脆弱的,只有社会各方面包括消费者不断地支持,保护臭氧层的斗争才能最终赢得胜利。进一步表明了国际社会对臭氧层耗损问题的关注和对保护臭氧层的共识。

      为加强对保护臭氧层工作的领导,我国成立了由国家环保局等18个部委组成的国家保护臭氧层领导小组。在领导小组的组织协调下,编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》,并于1993年得到国务院的批准,成为我国开展保护臭氧层工作的指导性文件。在此基础上又制定了化工、家用制冷等8个行业的淘汰战略,进一步明确了各行业淘汰消耗臭氧层物质的原则、政策、计划和优先项目,具有较强的可操作性。以上述两个文件为依据,我国积极组织申报和实施蒙特利尔多边基金项目。

      截止到1997年6月,多边基金执委会共批准了我国210个项目,获得赠款总额1.5亿美元。为配合履行保护臭氧层的国际公约,国家正在逐步制定并采取一定的法规和措施,对消耗臭氧层物质的生产和使用予以控制,对替代品和替代技术的生产和应用予以引导和鼓励,如生产配额、环境标志、税收价格调节、进出口控制、投资控制等政策。已有一些规定出台。除此之外,我国还开展了保护臭氧层的宣传、国际合作和科研等方面的活动,提高了广大人民群众保护臭氧层的意识,并积极参与到这项保护地球环境的行动中。

      经过这些努力,我国保护臭氧层工作取得了明显的进展。许多企业或利用多边基金,或利用自有资金进行了生产线的转换。据不完全统计,已经淘汰消耗臭氧层物质约2万吨;一批替代产品已经面市,为削减乃至淘汰消耗臭氧层物质创造了条件。

      恢复中 尚需时日/臭氧空洞 编辑

      在历经多年消耗之后正在恢复。

      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。

      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%。

      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。

      “这是外交胜利,也是科学胜利,因为事实上,我们能够共同发挥作用,”化学家马里奥·莫利纳说。1974年,莫利纳与舍伍德·罗兰共同发表了有关臭氧损耗的科学预测研究,并在1995年共同获得诺贝尔化学奖。

      见成效

      臭氧层是地球的大气防护层,可有效防止某些太阳射线对地球生物的伤害,已证实的太阳射线伤害包括引发皮肤癌、农作物减产等。联合国先前发布报告称,如果各国不采取行动,到2030年前,全球每年可能新增200万皮肤癌患者。

      臭氧层自上世纪70年代末被发现出现明显损耗。上世纪80年代,冰箱、空调等制冷设备的普及使某些人造氟化物作为制冷剂大行其道,科学界随后证实,氯氟烃等氟氯碳化物是导致南极上空出现臭氧层空洞的重要原因,因为氟氯碳化物释放的氯和溴可直接损耗臭氧。

      1987年,联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害,承续1985年保护臭氧层维也纳公约的大原则,邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔所签署的环境保护公约《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》,又称《蒙特利尔议定书》。该议定书自1989年1月1日起生效。中国1991年加入《蒙特利尔议定书》。

      此后,臭氧层的臭氧损耗情况出现好转,但臭氧水平正在恢复的还是第一次被科学证实。

      仍路遥

      不过,科学家同时发现,人们用以替代氯氟烃的一些物质虽然不会损耗或较低损耗臭氧,但却会造成温室效应,加快全球气候变化。美国麻省理工学院大气科学家苏珊·所罗门说,这些替代物质虽然目前还没有形成规模,但到2050年前会对全球气候变化产生巨大影响。

      本周早些时候,联合国发布的另一份报告显示,去年,二氧化碳在大气中的浓度创新纪录。2012年至2013年二氧化碳浓度的升幅也达到30年来的历史新高。

      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。  

      创新高/臭氧空洞 编辑

      臭氧空洞 臭氧空洞

      目前的臭氧层空洞面积已经达到了2820万平方公里,这一数字在1991年以来的数据中排名第四。臭氧层作为地球抵御太阳致命射线的保护层,它的空洞变化已经引起了人们的广泛关注。

      我们都知道臭氧层是地球的保护层,它能减少紫外线照射,让我们人类减少癌症、白内障和免疫系统疾病。臭氧层空洞的变大意味着有更多的有害辐射到达了地球,特别是在澳大利亚、新西兰和福克兰群岛等南半球区域。

      美国国家海洋和大气管理局一位地球系统科研室的研究员Bryan Johnson称:“今年我们借助气球运载设备对臭氧层进行了测量,发现在南极洲科考站上空的臭氧层几乎被100%消耗。”

      20世纪时期,含有氯气和溴气的人造化学品的释放破坏了大量的臭氧层,在地球的南半球区域形成了一个巨大的臭氧层空洞。在20世纪80年代臭氧层空洞已经达到了令人惊恐的地步,国际社会快速达成一致——禁止释放这类化学品,而这些化学品通常存在于制冷剂和抑制剂当中。

      这一禁令让臭氧层空洞稳定收缩,科学家们预测到2070年臭氧层才能完全恢复。而今年大气层的寒冷气温让臭氧层空洞恢复到历史较高水平。臭氧层空洞的面积在一年中是不断变化的,它通常会在8月和9月出现增长,因为这两个月份大气层中会有更多的活跃化学物消耗臭氧层。

      Johnson称:“在9月份,我们能观察到臭氧层的快速消耗,到10月1日大约会消耗掉95%。今年额外两个周的持续消耗让南极上空臭氧层接近100%被损耗。”国家海洋和大气管理局称,这是由于今年南极上空平流层的寒冷温度和动力减弱造成的。

      美国宇航局戈达德宇宙飞行中心地球科学领域的首席科学家Paul A. Newman称:“虽然目前的臭氧层空洞已经达到了近几年的历史记录,但是这一面积的出现是与地球大气层的气候降温所一致的,气温的降低是臭氧层消耗加快的主要原因。”  

      成因/臭氧空洞 编辑

      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。

      大气化学规程解释

      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;

      太阳活动影响解释

      南极上空的臭氧层空洞 南极上空的臭氧层空洞

      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;

      大气动力学解释

      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。臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展。

      臭氧洞形成的化学机理

      南极臭氧洞的成因,推测有四种:

      1.人为影响,人类活动产生的含氯化合物进入大气层

      2.与太阳活动周期有关的自然现象

      3.区域性天气动力学过程

      4.火山活动

      牛屁是最大元凶

      粮农组织研究了其他牲畜,如羊、鸡、猪等造成的环境污染程度,并指出全球10.5亿头牛排放的废气,是导致全球变暖的最大元凶。
        这是因为牛群的屁等排泄物会产出100多种污染气体,其中氨的排放量就占全球总量的2/3,而氨正是导致酸雨的原因。此外,牛群在消化或反刍过程中产生大量的甲烷,甲烷的排放量占全球总量1/3,这种气体暖化地球的速度比二氧化碳快20倍。
        全球10.5亿头牛排放的二氧化碳占全球温室气体总排放量的18%。这不但比其他家畜动物高出许多,甚至超越了人类交通工具,如汽车、飞机等的二氧化碳排放量。而饲养牛群时需要燃烧燃料制造肥料,在此过程中也会释放出二氧化碳。
        报告中还指责牛群消耗了大量的水,因为牛每分泌1公升牛奶要先消耗990公升的水

      人类已经把 1500 万吨以上的氯氟烃排放到大气中。进入大气中的氯氟烃,只有一部分参与臭氧层破坏作用,大部分还在大气中游荡,因而,虽然现在很多地方已停止生产和使用氯氟烃,臭氧层仍然会继续遭到破坏。何况,除了氯氟烃外,工业废气、汽车和飞机的尾气、核爆炸产物、氨肥的分解物,其中可能含有氮氧化物、一氧化碳、甲烷等几十种化学物质,都是破坏臭氧层的因素。  

      危害/臭氧空洞 编辑

      《时代》封面之消失的臭氧 《时代》封面之消失的臭氧

      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。如今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,臭氧层空洞已严重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。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。

      臭氧是一种温室气体,它的存在可以使全球气候增暖。但是,臭氧与其它温 室气体不同,这是自然界中受自然因子(太阳辐射中紫外线对高层大气氧分子进光化作用而生成)影响而产生,并不是人类活动排放产生的。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。

      臭氧是大气中的微量气体之一,其主要浓集在平流层中20-25km的高空,即大气的臭氧层。臭氧层对保护地球上的生命界以及调节地球的气候都具有极为重要的作用。然而,近些年来,由于在平流层内运行的飞行器日益增多,人类活动产生的一些痕量气体如NO。和氯氟烃等进入平流层,使臭氧层遭到破坏,以致于在南极上空出现了“臭氧空洞”。

      导致大气中臭氧减少和耗竭的物质,主要是平流层内超音速飞机排放的大量NO。以及人类大量生产与使用的氯氟烃化合物(氟利昂),如CFCl3(氟利昂-11)、CF2Cl2(氟利昂-12)等。1973年,全球这两种氟利昂的产量达480万吨,其大部分进入低层大气,再进入臭氧层。氟利昂在对流层内性质稳定,但进入臭氧层后,易与臭氧发生反应而消耗臭氧,以致降低臭氧层中O3浓度。

      2011年,据国家卫星气象中心监测数据显示,风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区,在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右,部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。虽然没有形成南极上空那样规模的臭氧洞,但由于北半球人口密度远高于南半球,臭氧低值区覆盖的范围内紫外线对人类健康的影响比南极臭氧洞更重要。导致北极臭氧洞形成的主要原因是春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云,在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。

      同期监测到的北半球臭氧总量分布,可以看出:一般情况下在三月份北极地区的臭氧含量很高,大部分地区范围在400DU以上,其中接近或大于500DU的区域占很大比例。北极圈内的大部分地区臭氧总量降到了200~300DU,部分地区达到了臭氧洞的标准。

      此结论与国外科学家的最新地面观测结果基本一致。德国物理学家马库斯·雷克斯表示,北极30个臭氧监测站获得的初始数据显示,冬季臭氧浓度下降的情况比以往更严重。他说,在春天来临之前,“第一个北极臭氧洞也许已经形成,这种发展速度非常惊人,可能将被载入史册。目前下定论还为时尚早,不过请静候我们的进一步消息”。据专家说,臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空,他们发出警告说,皮肤癌风险或将提升。

      北极上空2011年春天臭氧减少状况超出先前观测记录,首次像南极上空那样出现臭氧空洞,面积最大时相当于5个德国。

      这个臭氧空洞主要因北极地区罕见长时间寒冬而形成,一度于4月移至东部欧洲、俄罗斯和蒙古国上空,使人们承受高于一般程度但并不持续的太阳紫外线照射。

      这项研究由来自美国、加拿大、芬兰、丹麦、日本等9个国家的研究人员完成,研究报告发表于英国《自然》杂志网络版。

      研究人员说,2010冬天至2011春天,北极地区15公里至23公里的高空臭氧严重减少,最大幅度减少发生在18公里至20公里的位置,减少幅度超过80%。2011年3月至4月上旬,研究人员连续27天观测到极低的总柱状臭氧值。“低于250多布森单位的最大区域大约200万平方公里,大概5倍于德国或加州。”

      研究人员认为,北极首次出现臭氧空洞由极地涡旋引发,但不是因为冷,而是因为冷的时间更长,致使能够破坏臭氧的含氯化合物更活跃,以至于观测到比往年冬天厉害得多的臭氧减少。

      另一名研究人员表示,“自有仪器记录以来,北极从没有出现”这样长时间的寒冬。究竟为什么发生这种情况,需要“花数年时间详细研究”。

      1995年1月23日,联合国大会通过决议,确定从1995年开始,每年的 9月16日为“国际保护臭氧层日”。联合国大会确立“国际保护臭氧层日”的目的是纪念1987年9月16日签署的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,要求所有缔约的国家根据“议定书”及其修正案的目标,采取具体行动纪念这一特殊日子。

      联合国环境规划署自1976年起陆续召开了各种国际会议,通过了一系列保护臭氧层的决议。尤其在1985年发现了在南极周围臭氧层明显变薄,即所谓的“南极臭氧洞”问题之后,国际上保护臭氧层以及保护人类子孙后代的呼声更加高涨。

      对生态影响

      1.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经常食用的作物。估计臭氧减少1%,大豆减产1%。

      2.减少渔业产量。紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海洋浮游生物。实验表明,臭氧减少10%,紫外线辐射增加20%,将会在15天内杀死所有生活在10米水深内的鳗鱼幼鱼。

      3.破坏森林。

      据研究,臭氧减少影响人类健康及生态系统的主要机制是紫外线辐射的增加会破坏脱氧核糖核酸(DNA),以改变遗传信息及破坏蛋白质。除了影响人类健康和生态外,因臭氧减少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。

      对人类的影响

      高能量的紫外线(波长为315–280纳米)可以导致皮肤癌,另外低层大气(对流层)臭氧增加也会对人类健康产生危害[24] 。

      1. 鳞状细胞癌和基底细胞癌 ——是最常见的皮肤癌,和被高能量的紫外线辐照关系非常密切。紫外线使DNA分子中的碱基嘧啶形成二聚体,导致DNA复制时出现错误。这种病虽然死亡率不高,但也需要即时接受外科手术。根据流行病学的统计数据,平流层中的臭氧每减少1%,皮肤癌的发病率会增加2%。[25]。

      2. 恶性黑色素瘤——是另一种皮肤癌,虽然比较少见,但更为致命,死亡率能达到15–20%,此病和紫外线的关系尚不明了,经过用鱼做的试验,证明90-95%的发病和普通紫外线以及可见光有关[26],用负鼠做的试验则证明和高能量的紫外线关系密切[25],所以很难确定和臭氧层消耗之间的关系。有一个研究证明高能量的紫外线辐射每增加10%,可导致恶性黑色素瘤男人发病率增加19%,女人增加16%[27]。根据对智利最南端的蓬塔阿雷纳斯人群调查,在臭氧层消耗的7年间,恶性黑色素瘤发病率增加了56%,其他皮肤癌发病率增加了46% [28]。

      3. 白内障 ——实验研究证明紫外线和白内障的发病率有关。[29]对白种人的调查,长期暴露在阳光下,和白内障发病率增加有关,对男人的影响比对女人影响大,[30] 没有对黑种人的调查数据,不过黑人的白内障发病率比白人要高。[31][32]

      4. 对流层臭氧增加—— 臭氧由于其强氧化性,对人体有毒害作用,紫外线作用到汽车尾气也会产生臭氧。

      难题/臭氧空洞 编辑

      图注:南极上空臭氧层空洞 图注:南极上空臭氧层空洞

      据国外媒体2012年9月5日报道,美国化学学会(American Chemical Society,ACS)举办了第242次全国会议博览会(National Meeting & Exposition )。在一场化学讲座上,专家对臭氧层破坏这一热点问题进行了讨论。权威专家表示,即使对地球大气臭氧层破坏的研究有几十年了,仍然存在着许多谜题,比如南极上空臭氧层空洞意外损失,一直是悬而未决的难题。

      本次化学讲座由美国科维理基金会承办,美国国家大气研究中心颇受尊敬的大气科学家苏珊-所罗门(Susan Solomon)发表了演说。所罗门表示,多年来,在科学家、公众人士、工业界和政策制定者的共同努力下,阻止臭氧层耗损是科学界最大的成就之一,但问题依然存在,臭氧仍在继续消失。即使研究臭氧这么长时间了,我们仍然有许多需要解决的难题。她说:“我们已不再生产造成臭氧层空洞的主要化学物质;氟氯烃(chlorofluorocarbons,CFCs),又名氟里昂。但氟氯烃在大气的对流层中是非常稳定的,可以停留很长时间,所以臭氧层损耗还会持续几十年。究竟含氯化合物是如何破坏南极上空臭氧层的?我们试图解开这个谜题。”

      臭氧层对地球生命至关重要,可形成一个保护层,对太阳紫外线有阻挡作用,所以臭氧层犹如一把保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍。自然界中的臭氧层大多分布在离地20—50千米的高空。20世纪70年代人们才开始意识到人类活动威胁到了臭氧层,德国马克斯普朗克化学研究所的国际著名大气化学家保罗·克鲁岑(Paul Crutzen)就提出过警告,农用化肥可能会降低臭氧水平。随着人类活动的加剧,地球表面的臭氧层出现了严重的缺失,1974年被美国加利福尼亚大学的教授弗兰克·舍伍德·罗兰(Frank Sherwood Rowland和马里奥-穆连(Mario Molina)发现。他们介绍了气溶胶和其它产品中含有的氯氟烃如何破坏臭氧层。这三位科学家因臭氧化学的杰出研究共享1995年的诺贝尔化学奖。1985年,英国科学家发现了南极臭氧层的一个“洞”,完全出乎意料,表明南极上空的臭氧层受到严重破坏。所罗门于1986年赴南极进行臭氧探险活动,寻求揭示臭氧空洞形成的机理,找到了一些确凿证据,自那以后,全球禁止氯氟烃和其它消耗臭氧层的物质的使用。

      有证据表明,臭氧耗损已停止进一步恶化。所罗门说:“我们可以把臭氧层当成一个病人来看待,目前他在缓解期,说他已恢复病情为时尚早。”北极上空臭氧出现40%的损耗,由于在公布禁令之前释放到空气中的氯氟烃等消耗臭氧层的物质一直停留在地球上空,慢慢对臭氧层发生了破坏作用。

      所罗门还谈论了化学物质与气候变化的关系,并描述了这些物质如何导致全球气候变暖。所罗门说:“在过去1000年的时间里,二氧化碳是迄今为止人类所产生的最重要的温室气体,但也有其它一些气体,如全氟化合物,同样会影响我们的气候。”排放到空气中的二氧化碳等温室气体增多,导致地球的温度持续上升。全球变暖导致海平面上升,并可能导致一些地区成为干旱地区。通过对全球气候变暖问题的探讨,使科学家研究出如何减少温室气体排放的方法,如何适应气候变化和通过“地球工程(geoengineer)”来改变气候状况的可能性。据悉,“地球工程”技术是科学家为缓解全球变暖而正在考虑实施的一些巨大工程,这些所谓的“地球工程”包括:发射反光板到太空挡走阳光、造云阻挡阳光、人工制造巨型“树木”,用以过滤二氧化碳、人造“火山”向空中释放硫化物用以反射阳光等,但不论环保界和主流科学界都认为,当务之急是防止出现温室效应及减少温室气体排放,对这些地球工程学,大规模改变地球环境以适应人类的怪招都不支持。

      在美国科罗拉多州会议中心韦尔斯法戈大剧院(Wells Fargo Theatre)举办。此次讲座因迫切需要而设,科学家面临太多世界难题的挑战,包括气候变化、新出现的疾病、以及水和能源短缺。科维理基金会主席罗伯特(Robert W. Conn )在一份声明中说:“我们致力于推进科学进步造福人类,促进公众了解科学研究,以及支持科学家和他们的工作。” 科维理基金会是国际公认的慈善组织,其基本的理念是支持基础科学研究和科学创新。本次讲座是科维理基金会举办的首次化学讲座,以后将会有更多类似的讲座,将持续到2013年。科学家将宣传“超乎寻常”的科学思维模式,使大众支持并参与解决气候变化、新出现的疾病,以及水和能源短缺等世界难题。

      自从发现在南极上空存在臭氧空洞以后,为了查实和弄清臭氧层耗减及臭氧空洞形成的原因 ,数十个科学家几次赴南极进行臭氧探险活动,寻求揭示臭氧空洞形成的机理,终于获得了有效的探测结果, 由此推理出臭氧空洞形成的机理。人类所排放的氟氯烃主要在北半球,这种不溶于水和不活泼的气体,在头1至2年内在整个大气层下部并与大气混合。这种含有氟氯烃的大气从底部向上升腾,一直到达赤道附近的平流层。然后分别流向两极,这样经过整个平流层的空气几乎都含有相同浓度的氟氯烃,然而由于地球表面的巨大差异,两极地区的气象状况是完全不同的。南极是一个非常广阔的陆地板块,周围又完全被海洋所包围,这种自然条件下产生了非常低的平流层温度 。在南极黑暗酷冷的冬季(6至9月),下沉的空气在南极洲的山地受阻,停止环流而就地旋转,吸入周围的冷空气,形成“极地风暴旋涡”,这股“旋涡”上升到20千米高空的臭氧层,由于这里温度非常低,形成了滞留的“冰云”。“ 冰云”中的冰晶微粒把空气中带来的氟氯烃和溴氟烷烃等化学物质吸收在其表面,并不断积聚其中。当南极的春季来临(9月下旬),阳光照向“冰云”时,冰晶溶化,释放出吸附的氟氯烃和溴氟烷烃。它们受到紫外线UV-C照射,分解出Cl·和Br·并与臭氧反应生成CIO·和BrO·消耗臭氧。由于冰晶的吸附作用,积累的氟氯烃和溴氟烷烃在一段时间发生各种各样的化学变化,促成了每年9至11月臭氧快速耗减,在特定高度臭氧几乎完全消失, 导致臭氧空洞形成。随着夏季的到来,南极臭氧层得到逐渐恢复,然而臭氧减少的空气可以传输到南半球的中纬度,造成全球规模的臭氧减少。所以南极臭氧空洞现象每年冬天和春天都会出现。

      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、电子器件清洗的氟氯烃以及用于特殊场合灭火的溴氟烷烃等化学物质。国际社会为了保护臭氧层,将这些消耗臭氧层物质列入淘汰或受控制使用的名单中。消耗臭氧层的物质,在大气的对流层中是非常稳定的,可以停留很长时间,以CFC12为例,它在对流层中寿命长达120年左右,因此这类物质可以扩散到大气的各个部位,但是到了平流层后,就会被太阳的紫外辐射分解,释放出活性很强的游离氯原子或溴原子,参与导致臭氧损耗的一系列化学反应:游离的氯原子或溴原子与O3分子反应,产生氯或溴的一氧化物,夺走O3分子的一个氧原子,使之变成氧分子。氯或溴的一氧化物与游离的氧原子反应,释放“夺来”的氧原子,形成更多的氧分子和游离氯原子或游离溴原子,新的游离氯原子或溴原子重新与其它O3分子反应,再度生成O2分子和氯或溴的一氧化物,这样的反应循环不断,每个游离氯原子或溴原子可以破坏约10万个O3分子,这就是氯氟烃或溴氟烷烃破坏臭氧层的原因。

      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明显增加,给人类健康和生态环境带来多方面的的危害,同时对对流层大气组成和空气质量也有影响。阳光紫外线UV-B的增加可引发和加剧眼部疾病、皮肤癌和传染性疾病。如果不对紫外线的增加采取措施,UV-B辐射的增加将导致大约1800万例白内障病例的发生。

      世界气象组织和科研机构将运用地面臭氧观测、气球探测仪、卫星和气象数据,密切关注臭氧空洞的发展情况。  

      研究/臭氧空洞 编辑

      往年南极臭氧层空洞变化图 往年南极臭氧层空洞变化图

      据日本NHK电视台网站10月25日报道,日本气象厅日前宣布,南极上空臭氧层空洞已经缩至25年来最小,但强调这并不代表臭氧层正在恢复。  

      日本气象厅通过观测发现,南极上空臭氧层空洞面积的最大观测值是9月22日的2080万平方公里,小于1987年保护臭氧层的《蒙特利尔协议》签署以来的历年最大观测值。  

      臭氧层位于地球大气层的平流层,可以阻止有害紫外线进入大气层。但是氯氟烃等气体排放正破坏南北两极上空的臭氧层。每年8月和9月,南极气温降低,上空就会出现臭氧层空洞。  

      日本气象厅称,南极臭氧层空洞较小并不代表臭氧层正在恢复,而是可能南极7月份和8月份气温相对往年较高有关。  

      修复/臭氧空洞 编辑

      美国科学家2016年发现,首次有确实证据证明南极臭氧层的破洞已经开始萎缩。

      研究发现,从2000年到去年9月间,南极臭氧层破洞的面积减少了400万平方公里,相当于印度面积。

      研究认为,臭氧层破洞成功修复,大部分可归功于源自氟氯碳化物(CFCs)的大气氯持续减少,CFCs是曾经应用于干洗、雪柜、发胶和其他喷雾产品的化学物质。自从发现CFCs会导致臭氧层变得稀薄后,国际社会立即于1987年签署《蒙特利尔公约》,禁止使用CFCs。

      2000年起禁止使用CFCs,但大气内仍然残留很多氯,这些氯的生命周期为50至100年,因此估计臭氧层要到2050年至2060年左右才会完全修复。

      相关文献

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      扩展阅读
      1中小学教育资源中心:臭氧空洞、发展及危害,2001年4月15日
      2中国国家地理网:南极形成臭氧空洞人类责任不可推卸,2009年1月23日

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