臭氧層

臭氧層

臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧濃度相對較高的部分,其主要作用是吸收短波紫外線。大氣層的臭氧主要以紫外線打擊雙原子的氧氣,把它分為兩個原子,然後每個原子和沒有分裂的氧合並成臭氧。臭氧分子不穩定,紫外線照射之後又分為氧氣分子和氧原子,形成一個繼續的過程臭氧氧氣迴圈,如此產生臭氧層。自然界中的臭氧層大多分布在離地20-50千米的高空。臭氧層中的臭氧主要是紫外線製造。2011年11月1日,日本氣象廳發布的訊息稱,今年以來測到的南極上空臭氧層空洞面積的最大值超過去年,已相當于過去10年的平均水準值。

  • 中文名稱
    臭氧層
  • 外文名稱
    The ozone layer

基本簡介

人類真正認識臭氧是在150多年以前,德國化學家先貝因(Schanbein)博士首次提出在水電解及火花放電中產生的臭味,同在自然界閃電後產生的氣味相同,先貝因博士認為其氣味難聞,由此將其命名為臭氧。臭氧層顧名思義,帶有微臭,在閃電的時候,有可能會聞到一股怪味,這便是閃電帶下來的。

臭氧層

形成原因

自然界中的臭氧,大多分布在距地面20Km--50Km的大氣中,我們稱之為臭氧層。臭氧層中的臭氧主要是紫外線製造出來的。大家知道,太陽光線中的紫外線分為長波和短波兩種,當大氣中(含有21%)的氧氣分子受到短波紫外線照射時,氧分子會分解成原子狀態。氧原子的不穩定性極強,極易與其他物質發生反應。如與氫(H2)反應生成水(H2O),與碳(C)反應生成二氧化碳(C02)。同樣的,與氧分子(O2)反應時,就形成了臭氧(O3)。臭氧形成後,由于其比重大于氧氣,會逐漸的向臭氧層的底層降落,在降落過程中隨著溫度的變化(上升),臭氧不穩定性愈趨明顯,再受到長波紫外線的照射,再度還原為氧。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉換的動態平衡。

基本作用

其一為保護作用,臭氧層能夠吸收太陽光中的波長306.3nm以 下的紫外線,主要是一部分UV—B(波長290~300nm)和全部的UV—C(波長<290nm=,保護地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。隻有長波紫外線UV-A和少量的中波紫外線UV-B能夠輻射到地面,長波紫外線對生物細胞的 傷害要比中波紫外線輕微得多。所以臭氧層猶如一件保護傘保護地球上的生物得以生存繁衍 。其二為加熱作用,臭氧吸收太陽光中的紫外線並將其轉換為熱能加熱大氣,由于這種作用 大氣溫度結構在高度50km左右有一個峰,地球上空15~50km存在著升溫層。正是由于存在著 臭氧才有平流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣,所以也就不存在平流層。 大氣的溫度結構對于大氣的迴圈具有重要的影響,這一現象的起因也來自臭氧的高度分布。其三為 溫室氣體的作用,在對流層上部和平流層底部,即在氣溫很低的這一高度,臭氧的作用同樣非常重要。如果這一高度的臭氧減少,則會產生使地面氣溫下降的動力。因此,臭氧的高度分布及變化是極其重要的。

臭氧層

測量方法

臭氧的測量包括鉛直氣柱中臭氧總量的測量和臭氧濃度鉛直分布的測量兩種。測量方法分直接法和間接法:前者對臭氧進行採樣分析;後者在臭氧層外進行測量,大都用光譜分析方法。臭氧測量結果,除採用通常的單位表示外,還用多布森單位,記為DU,它等于千分之一釐米(標準狀態臭氧層厚)。

臭氧層

臭氧間接測量法:光譜分析法是觀測穿過大氣層的太陽直射光或散射光的光譜,然後計算出臭氧含量及其鉛直分布。在臭氧吸收帶中(見大氣臭氧層),太陽直射光或散射光穿過大氣層,受到臭氧分子的吸收,並受到氣體分子和氣溶膠粒子的散射。波長為λ的單色太陽光,通過大氣層時輻射強度的削弱服從比爾定律。測量臭氧的常用光學儀器有多布森分光光度計和M-83濾光片臭氧儀。多布森分光光度計被認為是測量臭氧的標準儀器。其他類型的儀器都必須定期用它校準。M-83濾光片臭氧儀主要在蘇聯和歐洲的部分國家使用。用氣象衛星也可以測得全球臭氧的分布。如雨雲4號衛星上用後向散射紫外光譜儀和紅外幹涉光譜儀進行大氣臭氧的觀測。前者測量大氣對太陽光的後向紫外散射,它接收2500~3400埃中12個波段的紫外光譜,由此反演出大氣臭氧含量全球的分布;後者除了測量大氣溫度和濕度外,還測量大氣臭氧(9.6微米波段,在此波段中接收 4個波長的輻射)。將這兩種光譜儀結合起來,可以探測大氣臭氧濃度隨高度的分布,例如在雨雲 6號衛星上,有臨邊輻射反演輻射儀(LRIR),它接收大氣臭氧9.6微米輻射帶的信息,用輻射傳輸方程反演,可獲得臭氧的鉛直分布。

臭氧層

臭氧直接測量法 用電化學或化學發光方法測量臭氧含量,可不受大氣透明度和天氣條件的限製,白天或黑夜均可進行觀測。

臭氧測量方法各有優缺點,常常要用多種方法互相補充,互相比較,以求獲得完整可靠的資料。

破壞原因

對于大氣臭氧層破壞的原因,科學家中間有多種見解。但是大多數人認為,人類過多地使用氯氟烴類化學物質(用CFCs表示)是破壞臭氧層的主要原因。氯氟烴是一種人造化學物質,1930年由美國的杜邦公司投入生產。在第二次世界大戰後,尤其是進入60年以後,開始大量使用,主要用作氣溶膠、製冷劑、發泡劑、化工溶劑等。另外,哈龍類物質(用于滅火器)、氮氧化物也會造成臭氧層的損耗。

破壞機理

人類活動排入大氣中的一些物質進入平流層與那裏的臭氧發生化學反應,導致臭氧耗損,使臭氧濃度減少的現象被稱作臭氧層破壞或臭氧層損耗。

臭氧層中的臭氧是在離地面較高的大氣層中自然形成的,其形成機理是:

O₂紫外輻射O+O(高層大氣中的氧氣受陽光紫外輻射變成遊離的氧原子)

O₂+O=O₃(有些遊離的氧原子又與氧氣結合就生成了臭氧,大氣中90%的臭氧是以這種方式形成的)

O₃是不穩定分子,來自太陽的紫外輻射既能生成O₃,也能使O₃分解,產生O₂分子和遊離O原子,因此大氣中臭氧的濃度取決于其生成與分解速度的動態平衡。

人為消耗臭氧層的物質主要是:廣泛用于冰櫃空調製冷、泡沫塑膠發泡、電子器件清洗的氯氟烷烴(CFCs)以及用于特殊場合滅火的溴氟烷烴(Halons哈龍)等化學物質。這些物質被稱為消耗臭氧層物質,國際社會為了保護臭氧層,將這些物質列入淘汰或受控製使用的名單中,因此也稱這些物質為“受控物質”。

消耗臭氧層的物質,在大氣的對流層中是非常穩定的,可以停留很長時間,以CFC12為例,它在對流層中壽命長達120年左右,因此這類物質可以擴散到大氣的各個部位,但是到了平流層後,就會被太陽的紫外輻射分解,釋放出活性很強的遊離氯原子或溴原子,參與導致臭氧損耗的一系列化學反應:遊離的氯原子或溴原子與O₃分子反應,產生氯或溴的一氧化物,奪走O₃分子的一個氧原子,使之變成氧分子。氯或溴的一氧化物與遊離的氧原子反應,釋放“奪來”的氧原子,形成更多的氧分子和遊離氯原子或遊離溴原子,新的遊離氯原子或溴原子重新與其它O₃分子反應,再度生成O₂分子和氯或溴的一氧化物,這樣的反應迴圈不斷,每個遊離氯原子或溴原子可以破壞約10萬個O₃分子,這就是氯氟烷烴或溴氟烷烴破壞臭氧層的原因。

破壞臭氧層的過程可表示如下:

含氯或含溴的化合物太陽紫外輻射遊離Cl(或Br)

O₃+Cl(或Br)ClO(或BrO)+O₂

ClO(或BrO)+O遊離Cl(或Br)+O₂

破壞現狀

臭氧(O3)是氧元素的同素異形體,它的化學性質十分活潑,很容易跟其他物質發生化學反應。實際上,在臭氧層內,臭氧的形成是眾多物質參與,一系列化學反應達到化學平衡的結果。臭氧在遇到H、OH、NO、Cl、Br時,就會被催化,加速分解為O2。氯氟烴之所以被認為是破壞臭氧層的物質就是因為它們在在太陽輻射下分解出Cl和Br原子。

1984年,英國科學家首次發現南極上空出現臭氧洞。1985年,美國的 “雨雲-7號”氣象衛星測到了這個臭氧洞。

1985 年,英國科學家法爾曼等人在南極哈雷灣觀測站發現:在過去 10 - 15 年間、每到春天南極上空的臭氧濃度就會減少約 30%,有近 95% 的臭氧被破壞。從地面上觀測,高空的臭氧層已極其稀薄,與周圍相比像是形成一個“洞”,直徑達上千公裏,“臭氧洞”由此而得名。衛星觀測表明,此洞覆蓋面積有時比美國的國土面積還要大。到 1998 年臭氧空洞面積比 1997 年增大約 15%,幾乎相當于三個澳大利亞大。前不久,日本環境廳發表的一項報告稱,1998 年南極上空臭氧空洞面積已達到歷史最高記錄,為 2720 萬平方公裏,比南極大陸還大約 1 倍。

美、日、英、俄等國家聯合觀測發現,近年來,北極上空臭氧層也減少了 20%。在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原,中國大氣物理及氣象學者的觀測也發現,青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度減少。根據全球總臭氧觀測的結果表明,除赤道外,1978 - 1991 年總臭氧每 10 年間就減少 1% - 5%。盡管人們已簽署了《蒙特利爾協定書》,但每年春天,在地球的兩個極地的上空仍再次形成臭氧層空洞,北極的臭氧層損失20%到30%,南極臭氧層損失51%以上。

臭氧層

破壞危機

臭氧層耗竭,會使太陽光中的紫外線大量輻射到地面。紫外線輻射增強,對人類及其生存的環境會造成極為不利的後果。有人估計,如果臭氧層中臭氧含量減少10%,地面不同地區的紫外線輻射將增加19%~22%,由此皮膚癌發病率將增加15%~25%.另據美國環境局估計,大氣層中臭氧含量每減少1%,皮膚癌患者就會增加10萬人,患白內障和呼吸道疾病的人也將增多。系外線輻射增強,對其他生物產生的影響和危害也令人不安。有人認為,臭氧層被破壞,將打亂生態系統中復雜的食物鏈,導致一些主要生物物種滅絕。臭氧層的破壞,將使地球上三分之二的農作物減產,導致糧食危機。紫外線輻射增強,還會導致全球氣候變暖

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