臭氧层破坏及防治对策

臭氧层（Ozone Layer）是大气层的平流层中臭氧浓度高的层次。浓度最大的部分位于20～25 km的高处。若把臭氧层的臭氧校订到标准情况，则其厚度平均仅为3 mm左右。臭氧含量随纬度、季节和天气等变化而不同。紫外辐射在高空被臭氧吸收，对大气有增温作用，同时保护了地球上的生物免受远紫外辐射的伤害，透过的少量紫外辐射，有杀菌作用，对生物大有裨益。

（1）臭氧层的作用

在生活中，臭氧有净化、灭菌、保鲜、美容、除臭等众多功能，对人类生活有很大帮助。而大气中的臭氧层对人类非常重要，主要有以下3个方面的作用：

①保护作用。臭氧层能吸收太阳光中波长小于300 nm的紫外光，仅让长波紫外光UV-A和少量中波紫外光UV-B辐射到地面，长波紫外光对生物体的伤害比中波、短波紫外光小得多。也就是说，臭氧层犹如防护服，保护人类、动植物免受短波紫外线的伤害，保护地球生物得以生存繁衍。

②加热作用。臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能使大气温度升高，使大气温度在高度为50 km左右有个峰值，地表15～50 km有个升温层。正因为有了臭氧，才有了平流层的存在。由于臭氧的高度分布，大气温度分布对大气循环有重要影响。

③温室气体的作用。臭氧也是重要的温室气体，在平流层底部和对流层上部，即使这一高度气温很低，臭氧的作用也非常重要。若这一高度臭氧减少，会使地面气温下降。

（2）臭氧层被破坏

臭氧是地球大气中的微量气体，它的形成原因是大气中氧分子受太阳辐射分解成氧原子后，氧原子又与周围的氧分子结合而形成的。90%以上的臭氧存在于平流层。它吸收对DNA有害的紫外线，防止其到达地球，以屏蔽地球表面生物不受紫外线侵害。不过，随着人类活动，特别是氟氯碳化物（CFCs）等人造化学物质被大量使用，很容易破坏臭氧层，使大气中的臭氧总量减少。臭氧在南北两极上空的下降幅度最大。在南极上空，出现臭氧稀薄区，被科学家形象地称为“臭氧空洞”（见图5.7）。

图5.7　在不禁止生产氟利昂的情况下，NASA对臭氧层被消耗的预测

最早正式公布南极臭氧层破洞的是英国南极勘测局的科学家在1985年5月的《自然》杂志上发表的文章，他们观测的破洞比以前估计的要大得多，在科学界引起了震惊。与此同时，卫星测量也显示出同样的结果。后来，英国的卫星“雨云7号”探测出该空洞的面积和美国的面积一般大。在北极和欧洲上空，科学家们也发现了臭氧层受到侵蚀的现象，形成了臭氧稀薄区域。

1985年，英国科学家在南极哈雷湾观测站发现：春天南极上空有近95%的臭氧被破坏，臭氧浓度减少约30%。从地面观测，高空的臭氧层已极其稀薄，就像形成一个“洞”，直径可达上千千米，命名为“臭氧洞”。卫星观测结果显示，此洞的面积有时比美国的国土面积还大。1998年“臭氧洞”的面积比1997年约增大15%，大约是3个澳大利亚的国土面积。

随着《蒙特利尔议定书》的严格执行，破坏臭氧层的气体释放趋势得到缓解。联合国环境署从1981年开始关于臭氧层的科学评价报告，主要依据卫星观测结果，2007年的报告显示，臭氧层破洞正在逐步萎缩（见图5.8）。2008年，氯原子等值气体（EECI，相当氯+45～60倍的溴）已经下降了10%；2015年，南极臭氧层破洞已明显减少，破洞全部恢复恐怕要到2050年才能实现，预计到2024年才可能测定出臭氧层的恢复情况，到2060—2075年才有可能恢复到1980年的水平。

图5.8　2006年9月测定的南极上空已知最大的臭氧层空洞

（3）臭氧层被破坏的原理

臭氧层被破坏的原理如图5.9所示。臭氧层中有3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 nm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200～310 nm的紫外线，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。

图5.9　臭氧被破坏的原理

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平流层中臭氧的总量取决于上述光化学的过程。臭氧会被一些游离基催化形成氧气而消失，主要的游离基有羟自由基（·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人类活动产生的，主要是一些人造物质，如氟氯烃和氟利昂。这些人造物质比较稳定，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则会分解，成为游离状态。

其中，h为普朗克常数，ν为电磁波的频率。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。

这种链式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，如形成氯化氢或氮氯化合物等，这一过程大约持续两年时间。溴原子对臭氧的消耗甚至比氯原子更严重，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，如果乘以每年人类向大气释放的氟利昂的量，可以想象其对臭氧层的破坏有多严重。

（4）臭氧层被破坏的后果

臭氧层被破坏或地球失去臭氧层，会造成严重危害，主要表现在以下3个方面：

①臭氧层的破坏会对人类健康产生影响。紫外线能促进合成维生素D，对骨组织的生长、保护均起有益作用。但紫外线（200～400 nm）中的紫外线B（即UV-B，280～320 nm）的过量照射会诱发皮肤癌、白内障、免疫系统疾病等。据估计，平流层的O3减少1%（即UV-B增加2%），皮肤癌的发病率会增加4%～6%，将会造成全球年死于皮肤癌的人数增加5 000人。在长期受太阳照射地区，50%以上的浅色皮肤人群的皮肤病是阳光诱发的，且肤色浅的人比其他人群更易患阳光诱发的皮肤癌。此外，紫外线还会导致皮肤的过早老化。

②臭氧的破坏会对植物产生影响。最近，科学家开展了对200多种植物增加紫外线照射的实验，结果显示，秧苗比有营养机能组织（如叶片）对紫外线更敏感，试验所用90%的植物是农作物，有2/3的植物对紫外线表现出敏感性，其中，大豆、豌豆等豆类，南瓜、丝瓜等瓜类，西红柿、白菜等对紫外线特别敏感，而花生、小麦等作物具有较好的抵御能力。一般情况下，紫外辐射会导致植物的叶片变小，减少阳光捕获，减小光合作用的有效面积，会造成生成率下降。紫外辐射会使作物更易受杂草、病虫害的侵袭，导致产量降低。同时，UV-B还会改变某些植物的再生能力和产物质量，这种变化的长期生物学意义（尤其是遗传基因的变化）是相当深远的。

③臭氧的破坏对水生系统产生影响。UV-B的增加，对水生系统产生潜在危险。大多水生植物贴近水面生长，这些小型浮游植物处于海洋生态食物链最底部，其光合作用最易被削弱（约60%）。增强的UV-B还可消灭水中微生物，杀死幼鱼、小虾和蟹，从而引起淡水生态系统的变化，并因此减弱水体的自然净化功能。研究结果表明，在O3量减少9%的情况下，约有8%的幼鱼死亡。

虽然表面上臭氧的破坏和温室效应没有直接关联，但有间接关系。温室效应主要是由温室气体产生的，如二氧化碳、甲烷。它们在太阳照射时，阳光可以穿透并照射进来，同时它们也吸收热量。在太阳无法照射到的时候，它们又释放热量，阻止地球的热量散发到太空中。

除了上述危害外，臭氧破坏所带来的其他危害仍在进一步的研究和探索中。地球生态系统是个环环相扣的整体，任何子系统的变化和破坏都会引发难以预料的连锁反应。广泛地来讲，若臭氧层全部被破坏，太阳紫外线将会杀死所有地球生命，人类也面临“灭顶之灾”，地球将成为没有任何生命的不毛之地。

（5）人类的对策

由以上分析可知，是人类自己的活动使人类陷入尴尬境地。正是人类为满足眼前的一时物质需求，不惜破坏赖以生存的自然环境，生产了诸如氟利昂、哈龙之类的有害物质，引起了严重的环境问题。最近，越来越多的人已经自发行动起来，为自身健康，为子孙后代不遗余力地努力着。

犹如中国古代神话传说“女娲补天”，人类已经开始了全球联动的“补天”行动。为了保护臭氧层免遭破坏，以更好地保护生态环境，自20世纪70年代以来，从欧洲的维也纳、北美洲的蒙特利尔，到亚洲的北京，为了一个坚定的目标——恢复臭氧层的原貌而共同努力，国际上保护臭氧层的行动已持续了30余年。

①建立国际间和各国的臭氧层保护法律约束机制，控制破坏臭氧层物质的排放。国际上先后通过了《关于臭氧层保护计划》《保护臭氧层维也纳公约》《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》（以下简称《议定书》）。根据公约“共担责任但又有区别”的原则，联合国对发达国家和发展中国家明确了消耗臭氧层使用的时间限制，并建立了意在帮助发展中国家履约的多边基金。由此，破坏臭氧层物质的生产和消费逐年减少，臭氧空洞正在得到有效控制。我国于1991年6月签署了《议定书》的伦敦修正案，目前《议定书》的缔约方已达168个。1994年第52次联合国大会决定，把每年的9月16日定为国际保护臭氧层日。我国正在为实现《议定书》规定的指标而努力，制定并实施了20余项有关保护臭氧层的政策。这对减少消耗臭氧层物质浓度及保护臭氧层具有重要意义。

②加强氟利昂代用品的研究开发力度。氟利昂替代品的开发得到了广泛的重视，目前主要包括含氢的氟利昂，其在到达臭氧层之前的对流圈被分解。或者用不含氯的氟利昂，如F32、F215、F134a和F143等，即使它们到达臭氧层也不会产生破坏作用。有的替代品则是不含F和Cl的有机物，如精制的石油气和二甲醚、烷烃、氮气、二氧化碳等。此外，回收和分解氟利昂的研究工作也正在进行。在我国，无氟冰箱、无氟空调正在走进千家万户，人们正以自己的行动推动人类社会生产步入良性循环。

③提高对保护臭氧层的认识，牢固树立环境意识。尽管人类企图寻找另一个与地球相近、可供人类生存的星球，但不得不承认地球仍然是人类的唯一家园，人离开地球将无法生存。人类必须善待地球、善待自然，不能以牺牲环境为代价，片面强调发展的速度与数量。相反，应强调人与自然的和谐，强调资源的持续利用，认识臭氧层的作用，增强生态环境意识，共同维护地球。