1、臭氧層的形成

原始大氣中氧氣的含量很少，不足以形成如今的富氧大氣圈。如今的富氧大氣圈可以看成是綠色植物光合作用造成的。

太陽(yáng)的紫外線輻射、雷電、熔巖噴溢作為動(dòng)力因素加上原始地殼、大氣和水為生命的出現(xiàn)提供了有利的先決條件。大氣中的有機(jī)物質(zhì)隨降水進(jìn)入海洋，地表上的有機(jī)物及無(wú)機(jī)鹽隨地表徑流也進(jìn)入了海洋，它們?cè)谶m宜的環(huán)境中逐漸發(fā)展為生命物質(zhì)。

綠色植物的出現(xiàn)是生物進(jìn)化中至關(guān)重要的一環(huán)，綠色植物的光合作用產(chǎn)生了游離的氧。逐漸積累后，大氣層上層的氧通過(guò)一系列的光化學(xué)反應(yīng)形成了臭氧。臭氧的形成避免了紫外線對(duì)于綠色植物破壞，如此演變及發(fā)展慢慢形成了如今的地球大氣圈。

2、臭氧層簡(jiǎn)介及功能

臭氧層是指大氣平流層中臭氧濃度相對(duì)較高的部分，在20～25km處達(dá)到濃度的最大值。但相對(duì)于其他的大氣組分來(lái)說(shuō)，臭氧的濃度是很低的，僅占到空氣的千萬(wàn)分之一。若將大氣層中所有的臭氧集中于海平面處，可形成3mm厚的薄層。

為了方便表示大氣中臭氧的密度，將0℃、標(biāo)準(zhǔn)海平面壓力下，10-5m厚的純臭氧定義為一個(gè)Dobson單位(DU)。一年中，臭氧平均濃度有明顯的季節(jié)性變化，春季(3月)達(dá)最大值，秋季(10月)最小，變化幅度約50DU。而當(dāng)某地的臭氧濃度降到220DU時(shí)就認(rèn)為出現(xiàn)臭氧層空洞。從下圖可知，2002年地球平均臭氧層空洞面積達(dá)歷史峰值，1994年平均臭氧濃度降到歷史最低水平。

注：a.1979～2014年9月7日～10月13日平均臭氧空洞面積(×106km2);b.1979～2014年9月21日～10月16日平均最低臭氧濃度(DU)。1995年無(wú)數(shù)據(jù)。

大氣臭氧層有保護(hù)、加熱以及溫室作用，對(duì)維護(hù)地球生態(tài)平衡發(fā)揮著異常重要的作用。臭氧層能吸收大氣中絕大多數(shù)的UV-B及UV-C，而這兩種紫外線對(duì)于生物的殺傷力極強(qiáng)。臭氧層的防護(hù)作用保障了地球上的生命免受紫外線的傷害。

臭氧吸收紫外線并將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱大氣，正因?yàn)槌粞醯募訜嶙饔檬沟厍驌碛辛藚^(qū)別于其他星球的平流層。如果對(duì)流層上部和平流層底部的臭氧濃度降低，就會(huì)導(dǎo)致地面的氣溫降低。大氣臭氧層是保障生態(tài)平衡和大氣循環(huán)必不可少的結(jié)構(gòu)。

在探究地球兩極臭氧層嚴(yán)重破壞時(shí)，首先需要明確的是臭氧層的破壞機(jī)理?？諝庵械难醴肿?O2)受到太陽(yáng)紫外線的照射會(huì)產(chǎn)生氧原子(O)，氧原子再與氧氣分子結(jié)合生成臭氧分子(O3)。同時(shí)氧原子可與臭氧1∶1結(jié)合而生成氧分子。

大氣中同時(shí)存在臭氧的生成和消除反應(yīng)，正常情況下臭氧消耗處于動(dòng)態(tài)平衡之中?？墒谴髿庵写嬖诘囊恍┳杂苫鶗?huì)干擾上面的動(dòng)態(tài)平衡，氫氧自由基、氮氧化物、氟氯烴(CFCs)等與臭氧發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，而消除大氣中的臭氧。

1、自由基對(duì)臭氧的破壞

在平流層內(nèi)，高氧化性自由基是破壞臭氧層的主要物質(zhì)，它們以催化的方式，按照下列的反應(yīng)進(jìn)行對(duì)臭氧的破壞：

Y+O3→YO+O2

YO+O→Y+O2

Y(自由基分子或原子)對(duì)平流層的臭氧分子分解起了重要的催化作用，Y所參與的環(huán)式反應(yīng)首尾相連，開(kāi)始消耗的反應(yīng)物Y又在后面的反應(yīng)中生成。這樣就造成了臭氧濃度的下降。

2、氮氧化物對(duì)臭氧的破壞

近年來(lái)，隨著化石燃料的大量燃燒以及含氮肥料的大量使用，大氣中氮氧化物的濃度逐年增加。在NOx的環(huán)式反應(yīng)中，NO起催化作用，NO分子與臭氧相結(jié)合生成二氧化氮及氧氣，接著二氧化氮與氧原子結(jié)合生成NO及氧氣。由于NO在大氣中的濃度不斷增加，臭氧在反應(yīng)中被大量消耗，因此在一定程度上造成了臭氧濃度的降低。

3、氟氯烴(CFC)對(duì)臭氧的破壞

氟氯烴作為一種制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑，廣泛用于家用電器、泡沫塑料、日用化學(xué)品、汽車、消防器材等領(lǐng)域。由于對(duì)臭氧層的破壞作用，被《蒙特利爾議定書》列為一類受控物質(zhì)。

1974年首次發(fā)現(xiàn)了氯氟烴與臭氧減少的關(guān)系。氟氯烴具有惰性，太陽(yáng)光的分解作用，雨水沖洗都不能對(duì)其產(chǎn)生影響。最終氯氟烴經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入平流層，由于穩(wěn)定性，氯氟烴可在大氣中保留達(dá)數(shù)十年之久。

1931年氟利昂進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)，在意識(shí)到氟氯烴對(duì)于臭氧層的破壞作用后，其用量受到了限制。但是氟氯烴穩(wěn)定的性質(zhì)、其存留于大氣的時(shí)間長(zhǎng)，這種破壞作用將長(zhǎng)期存在。反應(yīng)機(jī)制可見(jiàn)上圖。太陽(yáng)紫外線能分解氯氟烴。產(chǎn)生的氯原子與臭氧發(fā)生反應(yīng)，生成游離的氧化氯(ClO)：

Cl+O3→ClO+O

氧化氯能在很快的時(shí)間內(nèi)與氧原子反應(yīng)，并生成Cl及氧氣：

ClO+O→Cl+O2

將上述兩式結(jié)合，得到總反應(yīng)：O3+O→2O2。在整個(gè)ClOx的環(huán)式反應(yīng)中，Cl在中間僅起到了催化的作用，本身并未發(fā)生任何的變化。在失去活性之前，每一個(gè)氯虛耗子將引發(fā)一個(gè)破壞數(shù)十萬(wàn)個(gè)臭氧分子的反應(yīng)。

1984年，英國(guó)南極考察隊(duì)對(duì)在南極發(fā)現(xiàn)了臭氧層空洞，經(jīng)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這個(gè)臭氧層空洞的面積每年還在繼續(xù)擴(kuò)大，這一現(xiàn)象引起了全世界人類的關(guān)注。

2011年3月，美國(guó)媒體報(bào)道，北極第一個(gè)臭氧層空洞已經(jīng)形成，其發(fā)展速度之快讓人難以想象，該現(xiàn)象已得到相關(guān)部門加以證實(shí)。

被稱為世界“第三極”的青藏高原，臭氧層面積也逐漸呈降低趨勢(shì)。由于臭氧層濃度減少，使太陽(yáng)對(duì)地球照射的紫外線輻射增加，必將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的影響。

眾所周知，臭氧層可以過(guò)濾掉來(lái)自太陽(yáng)光中99%的紫外線，紫外線雖然可以用來(lái)滅菌，隨著大氣臭氧越來(lái)越少，可吸收紫外線的能力就會(huì)越來(lái)越弱，導(dǎo)致地面接觸的紫外線會(huì)越來(lái)越多，給人類的身心健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害。

皮膚如果受到紫外線的強(qiáng)烈輻射，將會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的DNA改變，過(guò)多的紫外線進(jìn)入人體內(nèi)部會(huì)使人自身的免疫系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，增加患呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率，還會(huì)使人患眼科疾病、皮膚癌等。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，臭氧每損耗1%，皮膚癌的患病幾率就會(huì)增加2%。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量的紫外線輻射也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，由于植物的生理和進(jìn)化過(guò)程均會(huì)受到UV-B輻射的影響，使植物的葉子變小且影響光合作用的同時(shí)還會(huì)影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，調(diào)查顯示，臭氧層的厚度每減少25%，大豆的產(chǎn)量將減少20%。

臭氧層的破壞，對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生影響，世界上1/3的動(dòng)物蛋白質(zhì)來(lái)自海洋，它滿足了人類的生活需求，但是有證據(jù)證實(shí)天然浮游植物群落與臭氧的變化直接相關(guān)，由于浮游生物是海洋生物鏈的基礎(chǔ)，浮游生物種類和數(shù)量的減少將會(huì)影響到魚貝類的產(chǎn)量，紫外線輻射的增加必將會(huì)引起水體植物、動(dòng)物以及整個(gè)水生食物鏈的破壞。所以，人們稱臭氧層為“地球生命的保護(hù)神”。

80年代中期有報(bào)道顯示，南極地區(qū)臭氧的濃度在10月(春季)的時(shí)候有所下降。在過(guò)去10～15年間，每到春天南極上空的平流層臭氧都會(huì)發(fā)生急劇耗損，極地上空臭氧層的中心地帶，近95%的臭氧被破壞。衛(wèi)星觀測(cè)來(lái)的照片顯示，南極地區(qū)大氣層上部形成了一個(gè)大的“空洞”，這就是臭氧層空洞名字的由來(lái)。

1987年10月，南極上空的臭氧濃度減少了近一半。此后南極地區(qū)的臭氧層空洞面積繼續(xù)擴(kuò)大。同樣北極地區(qū)臭氧濃度在1月期間相較于正常水平也有下降。同樣的高緯度地區(qū)，我國(guó)氣象科學(xué)院發(fā)現(xiàn)青藏高原也存在一個(gè)臭氧低值中心。地球兩極或者是我國(guó)的青藏高原這些人煙稀少的地區(qū)并未有大規(guī)模的污染源存在，但是地球兩極臭氧層破壞的程度相比于地球其他地方卻更加嚴(yán)重。造成這一現(xiàn)象的原因要從氣候地理?xiàng)l件等方面綜合考慮。

1、兩極地區(qū)的地理氣候條件

地球兩極的氣候及地理?xiàng)l件相比于地球其他地方有很大的特殊性，以受破壞程度更加嚴(yán)重的南極地區(qū)為例。南極是世界上最寒冷的大陸，歷史最低溫度-88.3℃就是在南極地區(qū)監(jiān)測(cè)到的。四面環(huán)海的南極又俗稱地球“風(fēng)極”、“暴風(fēng)雪之家”。同時(shí)，地球兩極等臭氧層破壞嚴(yán)重的地方緯度一般較高。

2、緯度對(duì)于臭氧層破壞的影響

根據(jù)美國(guó)云雨氣象衛(wèi)星TOMS所提供我國(guó)不同緯度間臭氧損耗的數(shù)據(jù)，將其換算為我國(guó)的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到下表。網(wǎng)格距為1°×1.25°，得出了從我國(guó)南端北端之間不同緯度地區(qū)臭氧總量月平均值的變化序列，并計(jì)算出了其平均年臭氧衰減率。

從上表可知，隨著緯度的增加，臭氧的平均年衰減率在增加。從?？诘侥?，臭氧的年平均衰減率擴(kuò)大了接近10倍。但緯度并非唯一因素，緯度位于昆明、臨安之間的西藏，臭氧年平均衰減率卻高于這兩地?？梢?jiàn)除了緯度的作用，還有其他因素影響著臭氧的年平均衰減率。

3、海拔對(duì)于臭氧層破壞的影響

大氣層由上而下可以分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和外溢層。對(duì)流層是離地面距離最近的地方，人類活動(dòng)所排放的有害氣體首先就會(huì)進(jìn)入該層。對(duì)流層的空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)顯著，地面的加熱不均將造成對(duì)流層的空氣垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)，低緯度的空氣對(duì)流相較于高緯度來(lái)說(shuō)強(qiáng)。

赤道等低緯度地區(qū)因?yàn)楂@得較多的太陽(yáng)輻射能，空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)旺盛，所以上空的空氣對(duì)流層較高;兩極地區(qū)因獲得的太陽(yáng)輻射較少，且空氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)弱，對(duì)流層就相對(duì)較低。

南極地區(qū)的氣溫又相對(duì)更低，因此南極地區(qū)的臭氧層破壞更加嚴(yán)重。污染物中所含的氟氯烴、氮氧化物等損耗臭氧的物質(zhì)隨大氣環(huán)流擴(kuò)散，將更容易進(jìn)入較低的對(duì)流層而造成臭氧濃度降低，進(jìn)一步造成臭氧層空洞。

4、其他原因?qū)τ诔粞鯇悠茐牡挠绊?/p>

極地氣候變化莫測(cè)，以極地氣旋為例。南極大陸高壓的周圍常年存在著許多極地氣旋，這些極地氣旋有規(guī)律地自西向東移動(dòng)，是影響南極地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)之一。

兩極地區(qū)、德?tīng)柡！e林斯高晉海和普里茲灣等海區(qū)，均為氣旋生成和消失的高頻區(qū)。氣旋活動(dòng)有明顯的季節(jié)性變化。夏季氣旋活躍、氣旋數(shù)偏多，而冬季偏少;過(guò)渡季節(jié)接近平均數(shù)。極地氣旋將使冷空氣持續(xù)作用于南極地區(qū)，造成大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)變緩，使污染物質(zhì)更易進(jìn)入對(duì)流層與臭氧發(fā)生反應(yīng)。

除極地氣旋之外，還存在著其他原因影響著極地地區(qū)臭氧嚴(yán)重消耗，由于檢測(cè)手段以及相關(guān)資料的缺乏，對(duì)于這一現(xiàn)象的探討不能再深入進(jìn)行。

保護(hù)臭氧層最為有效的措施是控制污染源。氟氯烴現(xiàn)在已經(jīng)被限制使用，但是沒(méi)有被完全禁止，尋找新的代替物品是當(dāng)務(wù)之急。

2000年CFCs、哈龍、四氯化碳等物質(zhì)被全面禁止使用，相關(guān)支持基金于1993年正式開(kāi)始運(yùn)行，至1999年已向超過(guò)100個(gè)發(fā)展中國(guó)家發(fā)放了12億美元的贈(zèng)款，以支持發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)向采用對(duì)臭氧層無(wú)害的代替品替代技術(shù)。

對(duì)于氮氧化物等污染氣體的排放監(jiān)測(cè)也應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化。汽車單雙號(hào)限行、對(duì)大型污染企業(yè)的治理等措施應(yīng)得到實(shí)施保障。開(kāi)展必要的宣傳活動(dòng)，讓社會(huì)與民眾加大對(duì)保護(hù)臭氧層等環(huán)保問(wèn)題的重視。

臭氧層問(wèn)題是一個(gè)跨學(xué)科、跨國(guó)界的全球性重大問(wèn)題。對(duì)全球性的環(huán)境問(wèn)題不能單靠一個(gè)國(guó)家的努力，這需要全世界的協(xié)同工作。各國(guó)政府以及國(guó)際組織應(yīng)保障環(huán)保工作的進(jìn)行、科研工作者應(yīng)該持續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究、普通民眾也應(yīng)該盡力從自我做起，養(yǎng)成綠色環(huán)保的生活習(xí)慣。保護(hù)臭氧層是全球人類的共同責(zé)任，因?yàn)槿祟愘囈陨娴牡厍蛑挥幸粋€(gè)。