全球性环境问题多媒体课件文本

1校级教研项目：2001xj11全球环境问题多媒体课件《环境与可持续发展》课程组二〇〇三年四月2目录第一章全球性环境问题多媒体课件文本第一节臭氧层破坏第二节酸雨第三节水污染第四节荒漠化第五节生物多样性锐减第二章全球性环境问题多媒体课件制作与使用第一节功能介绍第二节使用环境第三节使用说明第三章全球环境问题多媒体课件技术文档3第一章全球性环境问题多媒体课件文本第一节臭氧层破坏一、臭氧层的概念平流层中最重要的化学组分就是臭氧，它保存了大气中90％的臭氧，我们将这一层高浓度的臭氧称为“臭氧层”。平流层臭氧的生成和消耗机制，在相当长的一段历史时期内，被认为是Chapman于1930年提出的纯氧体系的光化学反应机制。Chapman认为，来自太阳的高能紫外辐射可使高空中的氧气分子分解为两个氧原子。氧原子与大气中的氧气发生反应，生成O3即臭氧。大气中形成了一个较为稳定的臭氧层，这个臭氧层的高度大约在距离地球表面15-25km处。生成的臭氧对太阳的紫外辐射有很强的吸收作用，有效地阻挡了对地表生物有伤害作用的短波紫外线。因此，实际上可以说直到臭氧层形成之后，生命才有可能在地球上生存、延续和发展，臭氧层是地表生物的“保护伞”。二、臭氧层破坏平流层臭氧对地球生命具有如此特殊重要的意义，但其在大气中只是极其微少和脆弱的一层气体。如果在摄氏零度的温度下，沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3mm左右。这种用从地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法，采用多布森单位(Dobsonunit简称D．U．)来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300D．U.。近30年来，人们逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着越来越严重的破坏。许多科学家很早就开展了对平流层中臭氧的来源与去除过程的研究。1985年，英国科学家Farmen等人总结他们在南极哈雷湾观测站(HalleyBay)自1975年的观测结果，发现从1975年以来，那里每年早春(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过30％，如此惊人的臭氧减弱引起了全世界极大的震动。臭氧层破坏的问题也从此开始受到不仅来自科学界，同时来自世界各国政府、企业和社会各界的广泛重视。进一步的测量表明，在过去10—15年间，每到春天南极上空的平流层臭氧都会发生急剧的大规模的耗损，极地上空臭氧层的中心地带，近95％的臭氧被破坏。从地面向上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比象是形成了一个“洞”，直径上千公里，“臭氧洞”就是因此而得名的。卫星观测表明，臭氧洞的覆盖面积有时甚至比美国的国土面积还要大。臭氧洞被定义为臭氧的柱浓度小于200D．U，即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过30％的区域。臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积、深度以及延续的时间。1987年10月，南极上空的臭氧浓度降到了1957—1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。1994年10月17日观测到的臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。近几年臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展，1995年观测到的臭氧洞发生期间是77d，到1996年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧洞发生期间增加到80d。1997年至今，科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前，连续两年南极臭氧洞从每年的冬初即开始，1998年臭氧洞的持续时间超过了100d，是南极臭氧洞发现以来的最长记录，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15％，几乎可以相当于3个澳大利亚。这一切迹象表明，南极4臭氧洞的损耗状况仍在恶化之中。进一步的研究和观测还发现，臭氧层的损耗不只发生在南极，在北极上空和其它中纬度地区也都出现了不同程度的臭氧层损耗现象。实际上，尽管没有在北极发现类似南极洞的臭氧损失，但科学研究发现，北极地区在一月至二月的时间，16—20km高度的臭氧损耗约为正常浓度的10％，北纬60度～70度范围的臭氧柱浓度的破坏约为5％～8％。因此，与南极的臭氧破坏相比，北极的臭氧损耗程度要轻得多，而且持续时间相对较短。三、臭氧层破坏的原因南极臭氧洞一经发现，立即引起了科学界及整个国际社会的高度重视。最初对南极臭氧洞的出现有过3种不同的解释，一种认为，南极臭氧洞的发生是因为对流层中低臭氧浓度的空气传输到达平流层，稀释了平流层臭氧的浓度；第二种解释认为，南极臭氧洞是由于宇宙射线导致高空生成氮氧化物的结果；此外，Molina和Rowland提出，人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极臭氧洞的元凶，最典型的是氟氯碳化合物即氟里昂(CFCs)和含溴化合物哈龙(Halons)。越来越多的科学证据否定了前两种观点，而证实氯和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原因。那么，氟里昂和哈龙是怎样进入平流层，又是如何引起臭氧层破坏的呢?我们知道，就重量而言，人为释放的CFCs和Halons的分子都比空气分子重，但这些化合物在对流层几乎是化学惰性的，自由基对其的氧化作用也可以忽略。因此，它们在对流层十分稳定，不能通过一般的大气化学反应去除。经过一两年的时间，这些化合物会在全球范围内的对流层分布均匀，然后主要在热带地区上空被大气环流带入到平流层，风又将它们从低纬度地区向高纬度地区输送，从而在平流层内混合均匀。在平流层内，强烈的紫外线照射使CFCs,和Halons分子发生解离，释放出高活性原子态的氧和溴，氧和溴原子也是自由基。氯原于自由基和溴原子自由基就是破坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的。据估算，一个氯原子自由基可以破坏104—105个臭氧分子，而由Halon释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的30—60倍。而且，氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用，即二者同时存在时，破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和。实际上，上述的均相化学反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。深入的科学研究发现，臭氧洞的形成是有空气动力学过程参与的非均相催化反应过程。当CFCs和Hatons进入平流层后，通常是以化学惰性的形态(ClON02和HCl)而存在，并无原予态的活性氯和溴的释放。但南极冬天的极低温度造成两种非常重要的过程，一是极地的空气受冷下沉，形成一个强烈的西向环流，称为“极地涡旋”(polarvortex)。该涡旋的重要作用是使南极空气与大气的其余部分隔离，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的反应器。另外，尽管南极空气十分干燥，极低的温度使该地区仍有成云过程，云滴的主要成分是三水合硝酸(HN03·3H20)和冰晶，称为极地平流层云(polarstratosphericclouds)。南扳的科学考察和实验室研究都证明，CION02和HCI在平流层云表面会发生以下化学反应：ClONO2十HCl----Cl2十HNO3CION02十H20----HOCI十HNO3生成的HN03被保留在云滴中。当云滴成长到一定的程度后将会沉降到对流层，与此同时也使HN03从平流层去除，其结果是Cl2和HOCI等组分的不断积累。C12和HOCI是在紫外线照射下极易光解的分子，但在冬天南极的紫外光极少，C12和HOCI的光解机会很小。当春天来临时，C12和HOCI开始发生大量的光解，产生前述的均相催化过程所需的大量原子氯，以致造成严重的臭氧损耗。氯原子的催化过程可以解释所观测到的南极臭氧破坏的约70％，氧原子和溴原子的协同机制可以解释大约20％。当更多的太阳光到达南极后，南极地区的温度上升，气象条件发生变化，南极涡旋逐渐消失，南极地区臭氧浓度极低的空气传输到地球的其他高纬度和中纬度地区，造成全球范围的臭氧浓度下5降。北极也发生与南极同样的空气动力学和化学过程。研究发现，北极地区在每年的一月至二月生成北极涡旋，并发现有北极平流层云的存在。在涡旋内活性氯(CIO)占氯总量的85％以上，同时测到与南极涡旋内浓度相当的活性溴(BrO)的浓度。但由于北极不存在类似南极的冰川，加上气象条件的差异，北极涡旋的温度远较南极高，而且北极平流层的云量也比南极少得多。因此，目前北极的臭氧层破坏还没有达到出现又一个臭氧洞的程度。由上可见，南极臭氧洞的形成是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程，但其产生根源是地球表面人为活动释放的氟里昂和哈龙，曾经是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的科学解释。令科学家和社会各界忧虑的是，CFCs和Halons具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难去除，这意味着它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程，臭氧层正受到来自人类活动的巨大威胁。为了评估各种臭氧层损耗物质对全球臭氧破坏的相对能力，可以采用“臭氧损耗潜势”(ozonedepletionpotential，ODP)的参数。臭氧损耗潜势是指在某种物质的大气寿命期间内，该物质造成的全球臭氧损失相对于相同质量的CFC-11排放所造成的臭氧损失的比值。在大气化学模式计算中，某物质X的ODP值可以表示为：ODP=单位物质X引起的全球臭减少/单位质量的CFC-11引起的全球臭减少臭氧损耗物质的大气浓度分布及参与的大气化学过程是影响其ODP值的主要因素。由于对这些因素的处理方式不同，不同研究者得到的臭氧损耗物质的ODP值存在一定的差异。各类臭氧层损耗物质的ODP值的次序大体一致，含氢的氟氧碳化合物的ODP值远较氟里昂低，而许多哈龙类化合物对平流层的破坏能力大大超过氟里昂。这些研究为决策者制定臭氧层损耗物质的淘汰战略和替代方案提供了有力的科学依据。但是，目前使用的许多替代产品(如HCFC类化合物)具有较高的GWP值，是重要的温室气体。因此，还不是理想的臭氧层损耗物质的替代物。在选择臭氧层损耗物质的替代产品时，除了必须考虑该物质的ODP值外，还必须考虑它的GWP值，及其经过大气化学过程后的最终产物的环境效应，在这一方面还有许多工作有待完成。四、臭氧层破坏的后果来自太阳的紫外辐射根据波长分为3个区，波长为315--400nm的紫外光称为UV—A区，该区的紫外线不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生物圈的损害；波长为280—315nm的紫外光称为UV—B区，该波段的紫外辐射对人类和地球其他生命造成危害最严重；波长为200-280nm的紫外光称为UV—C区，该区紫外线波长短，能量高，并能被平流层大气完全吸收。臭氧层的破坏，会使其吸收紫外辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面UV—B区强度明显增加，给人类健康和生态环境带来严重的危害。由紫外辐射增加可能导致的后果有以下几方面。(一)对人体健康的影响阳光紫外线UV—B的增加对人类健康有严重的危害作用。潜在的危险包括引发和加剧眼部疾病、皮肤癌和传染性疾病。对有些危险如皮肤癌已有定量的评价，但其他影响如传染病等目前仍存在很大的不确定性。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10000-15000人；如果不对紫外线的增加采取措施，从现在到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3种皮肤疾病。这3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6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，特别是儿童尤其严重。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UV—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目前还不十分清楚。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