北大环境生态学课件11臭氧层与地球环境生态

第11章臭氧层与地球环境生态第一节第一节引言引言第二节第二节臭氧层的变化与臭氧洞的形成第三节第三节大气臭氧层与太阳紫外辐射第四节第四节臭氧损失原因的解释第五节第五节大气臭氧层破坏对环境生态的影响第六节第六节目录第一节第一节引言引言臭氧对人类和地球环境既有害又有益，这取决于他在大气层中存在的位置。接近地面时，臭氧作为一种强氧化剂，损害人类的健康；在10~50km高度，臭氧起着温室气体的作用；而平流层中的臭氧层有过滤有害的紫外线辐射的作用，它环绕地球形成了一个防护罩。如今，人类活动造成了这一“防护罩”的削弱，已导致了许多严重的后果，危及着植物和动物的生存。最近南极臭氧洞的变化，引起了多方的关注；保护臭氧层——保护我们的地球已经成为世界各国关注的焦点。1648年大气压力BPascal(1623-1662)1735年信风GHadley(1685-1768)1863年温室效应JTyndall(1820-1893)1903年混沌理论JHPoincare(1854-1912)1963ENLorenz1912年大陆漂移ALWegenner(1880-1930)1914年气候周期MMilankovich(1879-1958)1920年气象预报VBjerknes(1862-1951);JBjerknes(1897-1975)1974年臭氧洞MMolina(1943-);SRowland(1927-)科学之书---影响人类历史的250项科学大发现ByPeterTaylor南极臭氧洞-来自上帝的警告2000年9月人类历史上最严重的南极臭氧洞人类要考虑如何补天！第二节第二节臭氧层的变化与臭氧洞的形成大气中对流层和平流层以及中层低部都有臭氧存在。在距地面10公里到30公里这一区域内有一臭氧浓度峰值出现，这一区域称为臭氧层。即使在这一层，臭氧浓度也很稀薄，峰值浓度仅有5´1012O3分子/cm3。臭氧在大气中的分布，平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。使地球上的人及生物免遭太阳强烈紫外线的辐射，保障了人类生存活动的环境，对人类生存环境具有至关重要的位置。但另一方面，臭氧遍布整个对流层，也起着温室气体的不利作用。现在已知约有50多个化学反应参与臭氧的平衡。臭氧层是处在O3、O2、O的动态平衡体系过程中。太阳辐射提供反应过程进行的驱动能量。在距离地面约20公里处，O2经短波紫外辐射发生光解反应生成氧原子。(5.1)在对流层和低海拔的大气中，氧原子主要由NO2经长波紫外辐照光解而产生。(5.2)臭氧自身通过紫外线和可见光照射后，也会发生光解反应：(5.3)大气中的臭氧则由氧原子和氧分子化合而成(5.4)()OhnmOO2243+®+ulNOhNOO2+®+uOhOO22+®+uMOMOO+→++32M是第三者物体，需要带走由这反应释放出的能量。因此臭氧的形成与消失是处在动态平衡中。然而，随着人类进步和工业的发展，人们人工合成许多化合物。给人类繁荣带来难以数尽的益处。但是，有些人工合成的化合物也给人类带来灾难。氯碳化合物就是一个这样的实例。人们大量合成及使用这些化合物，又任其排放的大气中，结果使大气臭氧层遭到破坏，而成为当前人类面临的重大环境问题。现今，臭氧层遭到破坏的情况已逐渐被许多事实所证实。1985年英国南极科学考察站的科学家Farman等报导在南极上空于十月份观察到臭氧层浓度降低近40%，美国宇航局Stolarski,R.S等由Nimbus-7人造卫星监测大气臭氧层的数据证实自1978年以来，在南极上空于十月份确实存在“臭氧洞”，从测绘到的臭氧浓度图可看到“臭氧洞”不是固定在一区域，每年都在移动，“臭氧洞”覆盖南极的面积逐年增大。在1985年，美国的“云雨—7”号气象卫星，测到了这个“洞”，其面积与美国领土几乎相当，其深度相当于珠穆朗马峰的高度。此外，1983年，瑞士、西德、加拿大和美国的科学家都观察到在北半球上空臭氧层浓度降低约5—7%，并且在北极附近也观测到臭氧层浓度降低的现象。目前，对“臭氧洞：产生的原因尚不清楚。近管有许多科学家从不同的角度来阐述这一现象，仍未得到完满的解释。对“臭氧洞”的形成和臭氧层浓度降低有许多种说法，其中主要有下述几种：（1）气相中的氧原子引起臭氧分子消失大气中的氧分子经波长小于242nm的太阳短波紫外辐射，可光解产生O，O（¢O），并进一步反应生成O3，温暖和热带区上空的平流层主要为O与O3反应而使臭氧消失。另外，尚有三组HOX、NOX、CIOX循环链式反应可导致臭氧消失。其反应如下：（5.5）WMO和NASA都指出，这些反应在温暖和热带的平流层上部进行的快。在平流层低部反应进行较慢，因为在低海拔出O原子的浓度相对较低。在南极春季不仅O原子浓度低，并且温度由很低，约为-80°C。因此上述机理不能合理地解释南极上空的“臭氧洞”的形成机制。XOXOOXOOXOOOOOXHONOC+®++®++®+=3223221（，）（2）CIO自由基引起臭氧分子的消失氯原子与O3作用可生成CIO。随即CIO与HO2、BrO、CIO等形成循环链式反应，而消除臭氧。其反应式如下：(5.6)C1O与YO是很复杂的反应。Molina等与1987年指出，当YO=C1O时，可最先生成二聚物（C1O)2，然后，光解为O2+2C1。光分解二聚物（C1OOC1）也可形成C1OO和C1，其中C1OO键很弱，可分解为C1和O2。COCOOYOYOOCYOCYOCOOCOOYHOBrC111111132322322+®++®++®+++®++=(,,)McElroy指出若BrO+C1O反应则可生成Br及C1OO，后者很快分解放出C1原子，当然，也有另一途径存在。BrO+C1O反应后生成Br及OC1O，后者在平流层温度下是热稳定的。HO2与C1O反应将生成HOC1，随即光解再生成HO和C1。在南极上空出现“臭氧洞”时，Solomon等曾在臭氧洞内和洞外，测定大气组成及含量的变化，结果指出在洞内C1O浓度比洞外大30倍。这表明C1在臭氧洞形成中占有重要的作用。在平流层中可提供C1原子的源主要为CFC。在南极Halley湾测定臭氧在十月份平均浓度在1957年到1985年的变化与大气中有机氯化物浓度的变化是一致的。（3）异相化学反应在平流层模式中曾引入许多气相化学反应，但是都不能预测南极低温下大气臭氧层浓度大幅度下降的事实。因为Rowland等在模式中引入异相化学反应，在冬季南极旋涡中有极地平流层云（PSC），温度约为-80°C，实际为许多冰粒。在冰粒表面可进行许多反应，这时HC1和C1ONO2都是C1的储存库。这些化合物在冰表面，形成酸性物，在冰表面进行催化反应Molina等研究了下列反应。(5.7)这些冰表面催化反应都进行的很快，当南极春天到来时，出现太阳光，进一步将C12（gas)及HOC1（gas)光解产生C1原子和HO自由基，而和臭氧发生链式反应，使臭氧浓度降低。()()()()()()()()()()CONOSurfaceHCSolidSolutionCgasHNOCONOSurfaceHOiceHOCgasHNOSurfaceCrutzenNONOSurfaceHOiceHNOSurface111112223223252523+®++®++®提出的反应第三节大气臭氧层与太阳紫外辐射大气臭氧层损失问题之所以引起人们的如此关注，与它的性质及其对地球的保护作用是分不开的。包裹在地球外面的大气层，依其高度和性质被分为不同的层，而其中臭氧的浓度分布亦是因高度而发生变化的。在近地面的大气对流层、臭氧的浓度和大气层的温度都随高度而降低。在离地面的12km处，臭氧浓度开始上升，而大气层温度则在约15km处开始上升。如果以温度最低点处（约210°K）的高度为对流层和平流层的分界的话，则大气对流层的厚度是因纬度、季节等条件的变化而变化的。在赤道地区，对流层的厚度约为18km。而在两极地区则仅为8km。由于地球的天气现象和生命过程都是在对流层中进行。因此，它是地球生态系统中的一个极重要的部分。从对流层顶开始，大气的温度开始随着高度而逐渐增加，至50km时达到极大值（约270°K）。而臭氧的浓度在这个大气平流层中则迅速增加的，由15km处的每立方厘米1´1012个分子增至25km处的每立方厘米3.2´1012个分子，随后开始下降，至50km高处即平流层顶时，臭氧浓度已降为每立方厘米中1´1011个分子。当高度再增至大气中层约62km处时，臭氧浓厚已接近零。由此可以看出：大气臭氧层离地面的高度在12—15km之间，其浓度最大值在25km附近。大气平流层正是大气臭氧浓度最大的区域。而目前发现的臭氧损耗，恰恰正是发生在大气平流层中。再来看看太阳辐射。众所周知，太阳每时每刻都在辐射各种能量不同的电磁波。正是有了太阳的辐射，地球上才有了热，光和色彩，正是有来太阳辐射提供的能量，地球上的各种生命过程才得以顺利进行。然而，其中的短波辐射，由于能量太高，对地球上的生命系统具有极大的损害作用。图5.4为太阳辐射的光谱图。当太阳辐射的电磁波进入地球大气层后，在平流层顶部的氧分子会吸收高紫外射线生成氧原子，继而生成臭氧：（5.8）同时，在平流层中还存在着分解臭氧的反应：(5.9)由此可见，大气平流层中的臭氧浓度是处在一个动态的平衡中。OOOOOMOnm224023紫外光（波长小于为其它微粒）)(¾®¾¾¾¾¾¾+++®+mmOOOOOOnm+®¾®¾¾¾¾¾¾¾+323118022太阳光（波长小于)主要含氯和含氧化合物的大气寿命、排放量和臭氧破坏潜能化合物名称分子式大气中的寿命（年）1985年排放量(kt/a)臭氧破坏潜能臭氧去除百分比CFC11CFC12四氯化碳CFC113甲基-三氯甲烷CFCl３CF２Cl２CCl4C２F３Cl３CH３CCl３7713976928.3281370661384741.01.01.060.80.1030.440.07.611.75.1摘自曹凤中编著《臭氧层空洞的报告》，中国环境科学出版社出版经过多年研究，科学家们确认，在过去的20年里，自然界高空臭氧的生成和消亡的自然平衡关系已被人类活动所破坏。工业生产和人们生活中产生的含氯化合物，加快了臭氧消亡过程的速度。其中氯氟烃类（CFCs）化合物的破坏力是最明显的。我们日常生活中所使用的冰箱、空调等制冷设备中通常使用的制冷剂氟里昂就是其中的一种。在正常情况下，均匀分布在平流层中的臭氧能将太阳紫外辐射中的UV—C射线全部吸收，并吸收90%左右的UV—B射线。这样，太阳紫外辐射中对地球生命系统有极大伤害作用的高能紫外射线中的99%在到达地球表面之前，就被大气中的臭氧层滤除了。从而就有效地保护了地球表面生物不受高能紫外辐射的伤害。大气臭氧洞的出现，以及全球大气中的臭氧的损失，无疑将导致到达地球表面的高能紫外辐射的增加，并由此产生一系列严重的问题。这就是人们为什么对大气臭氧浓度变化问题如此关注的原因。第四节臭氧损失原因的解释臭氧洞的发现，振动的世界大气科学、环境保护学、生态学界，引起了许多国家和政府的关注。美国于1986年率先派出了四支科学考察队赴南极进行考察。1987年6月，美国于前苏联又达成协议，将合作研究南极臭氧洞问题。同年八、九月，来自世界各地的100多名科学家在美国国家航空航天管理局（NASA）的组织下，参加了一次同时由地面和空中进行的综合考察活动，在这次考察中，动用了数十架飞机在南极上空12—20km的范围内对南极臭氧的损失情况及有关的数据进行了航测，并将这些数据与地面及卫星所得的数据进行了对比。与此同时，联合国环境规划署（UNEP）、美国环境保护局（USEPA）和其它许多国家的政府及环境保护机构，纷纷召开由不同层次的政府官员，不同领域的科学家参加的国际会议，以研究大气臭氧损失的原因，后果和对策。人们首先关心的问题是：什么东西引起了南极上空的臭氧损失？臭氧在南极消失的情况是否会扩张？整个