2019年化学周 - 臭氧层破坏

概述

英文：ozonosphere hole  或depletion of ozone layer

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。

南极上空臭氧层空洞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。

臭氧层产生与被消耗的过程

臭氧层中有三种氧的同素异形体参与循环：氧原子（O），氧气分子（O2）和臭氧（O3），氧气分子在吸收波长小于240奈米的紫外线后，被光解成两个氧原子，每个氧原子会和氧气分子重新组合成臭氧分子。臭氧分子会吸收波长为310-200纳米的紫外线，又会分解为一个氧气分子和一个氧原子，最终氧原子和臭氧分子结合形成两个氧气分子。

O + O3 → 2 O2

每月全球臭氧层平均厚度值（1DU =标准温度和气压下10 微米厚度）

臭氧会被一些游离基催化形成氧气而消失，主要的游离基有氢氧基（OH•），一氧化氮游离基（NO•），氯原子（Cl•）和溴原子（Br•）。这些游离基有自然生成的，也有人为造成的，其中氢氧基和一氧化氮主要是自然产生的，而氯原子和溴原子则是由于人类活动产生的，主要是一些人造物质，如氟氯烃和氟里昂，因为比较稳定，释放到大气中后，不会分解，而到平流层后在紫外线的作用下会则会分解，成为游离状态。

CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl

游离氯和溴原子通过催化作用，会消耗臭氧。一个氯原子会和一个臭氧分子作用，夺去其一个氧原子，形成ClO ，使其还原为氧气分子，而ClO会进一步和另外一个臭氧分子作用，产生两个氧气分子并还原成氯原子，然后继续和臭氧作用。

Cl• + O3 → ClO• + O2

ClO• + O3 → Cl• + 2 O2

这种催化作用导致臭氧的进一步被消耗，直到氯原子重新回到对流层，形成其他化合物而被固定，例如形成氯化氢或氮氯化合物等，这一过程大约持续有两年时间。溴原子对臭氧的被消耗甚至比氯原子更严重，不过好在溴原子的量比较少。其他卤素原子，如氟和碘也有类似的效应，不过氟原子由于比较活跃，很快就能和水以及甲烷作用形成不易分解的氢氟酸，碘原子甚至在低层大气中就被有机分子俘获，这两种元素对臭氧的被消耗没有重要的作用。

一个氯原子大约能和十万个臭氧分子作用，如果乘上每年人类向大气释放的氟利昂的量，可以想像其对臭氧层的破坏有多严重。

臭氧层破坏的危害：

1、增加皮肤癌：紫外线UV-B辐射的增加，会破坏包括DNA在内的生物分子，增加人类患皮肤癌、白内障的机率，而且和许多免疫系统疾病有关；

2、紫外线会损伤眼角膜和晶状体，引发白内障。

3、过量的紫外线辐射还可使农作物叶片受损，抑制其光合作用医学教育|网编辑整理，导致减产，或改变细胞内的遗传基因和再生能力，使农产品质量劣化以及破坏森林。

4、过量的紫外线会杀死水中的微生物，使海洋中的浮游生物遭受致命的影响，海洋生态系统受破坏，造成某些物种灭绝。