化学与环境——(4)臭氧层的耗损

臭氧层的耗损虽然臭氧洞出现的地方是在遥远的两极，但其实世界各地大气中的臭氧都已日渐稀薄。从皮肤癌到汽车冷媒，臭氧洞不再只是科学家的研究对象，或是报纸上的新闻事件，而是与每个人都有切身关系的环保课题！引言：内容1.什么是臭氧？2.臭氧层的形成3.臭氧层的耗损4.臭氧层耗损后的危害5.国际性公约和相关保护措施1.什么是臭氧臭氧分子O3臭氧分子氧分子氧原子臭氧是无色、有毒、有刺激味的气体臭氧层存在于平流层中，象个大气泡环绕着地球，保护着全地球的生物。名虽为一层，但实际上臭氧分布各地并不均匀，而且大气中臭氧的总含量非常少，尚不到1ppm。将地球上臭氧压缩至1个大气压，其厚度仅3mm。臭氧层的分布臭氧层的分布•臭氧层在距离地球25Km的高处厚度最厚。在回归线之间（赤道附近）最薄，越往两极越厚。•采用Dobsonunits(DU,多布森单位)为衡量单位•回归线处的厚度~260DU1DU==10-3cmatSTP-(0℃and1atmospress).随高度的变化臭氧层的变化随季节的变化随纬度、经度的变化南极洲上空臭氧层的厚度每年八月底-九月时明显下降，每年十月份到达最低值。在南极的6月，极夜的冬季来临，没有太阳加热，气温常会下降至-80℃左右。极地的空气受冷下沉，形成“极地涡旋”，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。平流层的三水硝酸(HNO3·3H2O)在-78℃的条件下就会包围住直径约0.1微米的硫酸微粒，形成极地平流层云。极地平流层云表面的反应ClONO2+HCl→Cl2+HNO31.平流层云表面吸附HCl和ClONO23.Cl2脱落，而硝酸留在PSC上，随后离开平流层。2.HCl和ClONO2在PSC表面反应生成Cl2和硝酸。4.Cl2被光解为Cl原子，并开始对臭氧进行催化性的破坏反应。三水硝酸极地平流层云不仅把氯贮存物质吸收到颗粒的界面上，并且产生化学反应，释放氯气。一旦9月来临，南极春季阳光普照，在短短几个小时内，活泼的氯气被分解成两个氯原子，迅速破坏臭氧层。2.臭氧层的形成早期地球大气层的气体，主要是以二氧化碳（CO2）、水气（H2O）、氮气（N2）等气体为主，后來海洋中藻类大量繁殖，光合作用的结果使得大气中的氧气（O2）開始增多，氧气受到紫外线的照射产生臭氧（O3）。臭氧的形成Ozone(O3)氧分子在紫外线的作用下生成臭氧UVOOOODiatomic*oxygen(O2)OOOOOOOOO臭氧层的形成•氧分子吸收紫外线并分解形成氧原子；•氧原子与氧分子结合生成臭氧；•臭氧可吸收阳光而分解，也可与氧原子结合变成氧分子•M为反应第三体，它们是氮气和氧气分子–O2+Hv→2O–O2+O+M→O3+M–O3+Hv→O2+O–O3+O→2O2臭氧的形成与消失Step1紫外线使氧分子分解成氧原子Step2氧原子与氧分子形成了臭氧Step31.臭氧与氧原子形成氧分子2.紫外线使臭氧又分解成氧原子及氧分子臭氧层的平衡（蓄水库原理）臭氧的形成与分解处于一个动态的平衡。臭氧层的作用•陆地上一直到四亿多年前有了臭氧层后，藓苔、蕨类、昆虫、两生类、爬虫类等生物才陆续出现在陆地上，让大地生命开始蓬勃发展起来。•加热作用吸收紫外线转化为热能•保护作用吸收300nm以下的紫外线，主要是一部分中波UV-B（280－315nm)和全部短波UV-C(280nm)近红外线中红外线远红外线波长波长最短0.78～3μm波长次之3～30μm波长最长30～100μm对人之疗效人体的有机分子不会吸收，不会使有机分子振动，不具治疗效果。人体的有机分子会吸收，使有机分子产生振动，摩擦生热具治疗效果。同中红外线，具治疗效果。红外线的分类与特性种类特性說明：1.微波炉发射的微波，其波长较远红外线的波长还长，食物内的分子会吸收微波而振动，分子振动会产生摩擦而生热，其热可煮熟食物。2.CO2等温室气体分子对太阳发射的红外线（0.78~4μm）不會吸收，但对地球发射的红外线（4~100μm）会吸收，导致地球的温室效应。UV-CUV-BUV-A波长波长最短200~280nm波长次之280~315nm波长最长315～380nm伤害力最大次之最小到达地面之%全部被平流层的O2吸收，因此能到达地面者几乎0%O2+UV-C→O+OO+O2→O3（臭氧之形成）大部分被平流层的O3吸收，能到达地面者占UV量之10%（一说是1.1%）O3+UV-B→O2+O+热O3+O→2O2+热臭氧之破坏可穿透臭氧层而全部到达地面，占UV量之90%(一说是98.9%)对人之伤害虽伤害力最大，但因不能到达地面，因此不会造成伤害。虽伤害力次之，到达地面仅占10%，但却是造成伤害之祸首。伤害力最小，虽到达地面之量最多，但仅产生轻微程度之伤害紫外线的分类与特性种类特性說明：太阳发射的紫外线对人造成伤害最大的是UV-B，不是UV-A，也不是UV-C。从1970年代开始，南半球每逢春季，科学家便会在南极上空观测到臭氧层有显著减少的现象，宛如破了一个大洞，因此称为”臭氧洞”。此臭氧洞一年一年的增大，直至1995年南极上空的臭氧洞面积已经扩大为欧洲大陆约两倍，引起全世界密切的关注，并召开了多次的国际性会议企图挽救这场地球可能面临的浩劫。3.臭氧层的耗损1985年，科学家发现南极上空的臭氧浓度有减少的现象，尤其是每年十月更是明显，臭氧浓度只有正常浓度的四分之一左右。从人造卫星所拍摄的图片显示，南极上空臭氧浓度减少，此即俗称的“臭氧洞”。南极郝利湾每年十月的臭氧层总厚度HalleyBay,Antarctica南极郝利湾臭氧层空洞并不是指真正有个“洞”，而只是表示臭氧含量反常稀少的区域。虽然科学家已经知道CFCs(chlorofluorocarbons，氟氯碳化物)等消耗臭氧层物质的排放是造成臭氧洞的主要原因，但是由于南极地区特殊的气候型态，使科学家相信，南极臭氧洞应是平流层化学反应与大气环流变化等多种因素交互作用下的结果。然而，不仅是南极，北极上空和青藏高原等地，都已形成类似臭氧洞的现象。尤有甚者，根据世界各地地面站和人造卫星的观测结果，长期以来，全球除热带地区之外的大部分区域，平流层臭氧都有稀薄化的倾向。破坏臭氧层的元凶主要是氟氯碳化物，简称CFCs，它被大量使用于喷雾推进剂和冷媒等。CFCs在平流层会释出氯原子，与平流层中的臭氧作用，促进臭氧分解成氧气分子，因而减少了臭氧量，形成“臭氧洞”。另外，汽车尾气中的氮氧化物等化合物进入平流层后，在紫外光的作用下，产生NO，也可作为催化剂持续不断地破坏臭氧，造成臭氧含量的下降。含氮氧化物对臭氧层的破坏CFCs对臭氧层的破坏CFCs之所以会对臭氧层造成如此严重的伤害，主要关键就在其所释放的“氯原子”(Cl)。氯原子一方面能够不断消耗臭氧，另一方面却又能在反应中再生。科学家估计，由CFCs所释出的1个氯原子，只要数个月的时间，就能使大约10万个臭氧分子消失。•Br原子也可引起此反应氟氯碳化物(CFCs)，顾名思义，即是含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的化合物。CFCs的应用范围极为广泛，可作为汽和冰箱等冷冻空调的冷媒、电子和光学组件的清洗溶剂、化妆品等喷雾剂、发泡剂等等。从1930年代合成初期开始，CFCs在全球各工业国家的使用量便不断增加，主要因为CFCs的化学性质非常安定，不可燃且无毒性，故过去一直被认为安全又理想的化学物质，厂商大量制造，使用者也任其扩散至大气中。CFCs的化学性质非常稳定，生命期长达40-150年，因此会在大气中不断累积，最后将上升至平流层，在平流层紫外线照射下分解臭氧。平流层所能接纳的氯相当有限，即使大幅降低CFCs的使用量大气也需要一段相当长的时间，才能减缓臭氧的分解。在CFCs未受管制之前，全世界每年都要排放大约一百万吨以上的CFCs，而这些管制前就被排放到大气中，总重量约在2000万吨的CFCs，目前大部分仍留在对流层中。消耗臭氧层物质•消耗臭氧物质[Ozone-depletingsubstances(ODS)]是破坏大气层中臭氧层的物质，主要是氯氟烃（CFCs）、哈龙（Halon）、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷等•它们破坏臭氧的能力称为“臭氧耗减潜能值”[OzoneDepletingPotential(ODP)]消耗臭氧物质(ODS)及臭氧耗减潜能值(ODP)ODP•氯氟烃Chlorofluorocarbons(CFCs)0.6-1.0•哈龙Halon3.0-10.0•四氯化碳Carbontetrachloride(CTC)1.1•甲基氯仿Methylchloroform(TCA)0.1•含氢氯氟烃Hydrofluorocarbons(HCFCs)0.001-0.11•含氢溴氟烃Hydrobromofluorocarbons(HBFCs)0.02-1.0•溴氯甲烷Bromochloromethane0.12•甲基溴MethylBromide(MBr)0.6部分CFCs•CFC-11(CCl3F)1.0•CFC-12(CCl2F2)1.0•CFC-113(C2F3Cl3)0.8•CFC-114(C2F4Cl2)1.0•CFC-115(C2F5Cl)0.6•CFC-13(CF3Cl)1.0部分HCFCs•HCFC-22(CHF2Cl)0.055Monochlorodifluoromethane•HCFC-141b(C2H3FCl2)0.01Dichlorofluoroethane•HCFC-123(C2HF3Cl2)0.02-0.06Dichlorotrifluoroethane•HCFC-124(C2HF4Cl)0.02-0.04Monochlorotetrafluoroethane其它ODS•Halon1211(CF2ClBr)3.0•Halon1301(CF3Br)10.0•三氯乙烷0.1•甲基溴MethylBromide(CH3Br)•CTC四氯化碳CCl41.1大气中ODS的来源•清洗剂、油漆、灭火剂、气雾罐等直接喷射•制冷和空调系统维修时的泄漏•在检疫及土壤消毒时甲基溴的使用•废弃含有ODS产品或设备如发泡剂和制冷剂的泄漏•制冷剂在循环过程中的泄漏4.臭氧层耗损后的危害平流层的臭氧层会吸收紫外线(ultraviolet,UV)，尤其是对生物损害很大的“紫外线B”(UV-B)。UV-B的强度，会随着时间、地点不同而异。通常夏季较冬季强，低纬度比高纬度地区强，而高海拔则比低海拔地区强。但无论如何，大气中臭氧减少，全球各地的UV-B都会增强。据估计，臭氧若减少1%，UV-B大约就会增加2%；而在出现臭氧洞的南极地区，臭氧大量减少的结果，已使紫外线量加倍增加。紫外线增加对人类健康所造成的危害，以皮肤癌最为人熟知，而且为害最广。皮肤癌的罹患率与人种和纬度有关，一般以白种人的罹患率最高，居住地区则愈近赤道罹患率愈高。根据联合国相关组织的统计资料显示：大气总臭氧量若减少10%，皮肤癌的罹患率将增加26%，且每年全世界将新增加30万名以上的皮肤癌患者。皮肤癌眼晴在强烈紫外线照射下，会使透明的角膜混浊，引起角膜炎，或是造成结膜充血的结膜炎，最严重的则是白内障。据估计，大气总臭氧量若减少10%，全世界将产生160-175万名新白内障患者。除此之外，紫外线还会破坏免疫系统，减弱人体对病毒和病原菌的抵抗力，使更容易罹患传染性疾病。紫外线之所以会损害皮肤、眼晴及免疫系统，是因为紫外线能破坏人体内的蛋白质和核酸，由于核酸和蛋白质是所有生物细胞组成不可或缺的要素，因此紫外线的增加，对整个地球生态系都会有严重影响。白内障美国马里兰大学曾经针对200种农作物进行研究，在温室内观察紫外线照射的影响，结果发现约有三分之二的种类，会有生长迟缓的反应。由于紫外线会改变植物体内的化学变化，因此不仅农作物的生长受到影响，与植物关系密切的昆虫和草食动物都将遭到波及。甚至森林中枯枝枯叶形成的腐殖质，成分都会有所改变。对森林和草地，可能会改变物种的组成，进而影响不同生态系统的生物多样性分布。地球生态海洋生态•海洋生态系统中的浅海浮游