臭氧如何吸收紫外线?这作用谁发现的?

臭氧如何吸收紫外线?这作用谁发现的?
臭氧如何吸收紫外线?这作用谁发现的?

臭氧如何吸收紫外线?这作用谁发现的?
臭氧层是存在于地球上空16~48千米平流层内薄薄的一层气体.因为它以吸收太阳光中杀伤力很强的光线,特别是紫外线,从而使生命有可能存在.
人造卫星上的仪器可以测量臭氧层的厚度的范围.观测证明,在南级上空臭氧层处出现日渐增大的“空洞”.如果到达地球的有害辐射增多,这对动植物的影响将是灾难性的.造成的后果之一是人类皮肤癌病例将会增加.
臭氧层发生变化的部分原因是由氟氯碳化物引起的,这类化合物常用于生产气雾剂、电冰箱致冷剂、干洗剂以及某些塑料.今天,许多制造商在产品中采用了各种对保护臭氧层有利的化学品.
由于臭氧层中空洞的存在,人们被劝告要戴上遮阳幅和涂上防晒霜.
这幅地图显示的是臭氧洞.1986年,那里的臭氧量仅是30年前的一半.
臭氧层已受到影响的不仅是在南极上空.1988年,曾发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄百分之三.这种变化足以使皮肤癌的病例增加.
在平流层中,一部分氧气分子可以吸收小于240μm波长的太阳光中的紫外线,并分解形成氧 原子.这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧,生成的臭氧可以吸收太阳光而被分解掉,也可 与氧原子相结合,再度变成氧分子.其过程可用下面的化学反应方程式来表示：
O2+Hυ → 2O?
O2+O+M+O3 → M?
O3+hυ → J〔10〕O2+O?
O3+O → 2O2
M为反应第三体,它们是氮气和氧气分子,其作用是与生成的臭氧相碰撞,接受过剩的能量 以使臭氧稳定.臭氧的浓度取决于上述纯氧反应理论生成反应和消除反应的平衡状态,它可 以大体上重现出臭氧浓度的高度分布.但是从定量角度看,这一理论得出的平流层臭氧浓度 是实际臭氧浓度的2倍左右.?
纯氧理论出现的问题,主要是没有考虑到大气中的微量成份的催化作用,通过链式反应消除 臭氧.其链式反应方程式如下：
图1-2-1
X+O3→XO+O2?
XO+O→X+O2
合计 O+O2→2O2?
其中X为H,OH,NO,Cl.
如果考虑了上述大气中微量成分消除臭氧的反应,再考虑 大气运动效果,则大体上可以再现实际的臭氧高度分布.
在平流层中,臭氧的生成和消亡处于动态平衡,正常情况下维持 一定的浓度,此种动态平 衡亦可用图1-2-1表示.
1．臭氧层被破坏的危害
臭氧是一种有刺激性气体,高浓度的臭氧呈淡蓝色.在低空的臭氧对人体有害,但在高空的臭氧层对人体有益,它们可以阻挡、吸收和反射大部分紫外线,让紫外线不再对人体有害.可以说,没有臭氧层就没有生机盎然的地球.如果臭氧层被破坏,紫外线就会长驱直入,造成皮肤癌、基因突变等一系列人类目前很难治疗的疾病,还会破坏生态平衡,并导致物种的灭绝.
2．臭氧层被破坏的现状
据可靠消息,南极上空已出现臭氧层漏洞,如果不加控制,将以每年107平方公里的速度扩散（保守数据）,将每年增加57万因紫外线得病的患者（保守数据）,并且,基因突变的概率会大大增加.其他地区也出现臭氧层稀薄,并很可能出现漏洞.
3．臭氧层被破坏的原因
关于臭氧层被破坏的原因说法多种多样,有氟氯破坏说,有南极同温云说,有飞机扰动说,但氟氯破坏说最具说服性.
氟氯破坏即氟利昂破坏.氟利昂是一种冷冻剂.为什么氟利昂能破坏臭氧呢?这得从臭氧说起.普通的氧为O2,但它在极端条件下会变成氧离子O2-,再和氧结合变成了臭氧O32-,它极不稳定,容易还原成氧.而氟利昂含有氟和氯,容易从O32-中拉出O2-,使它还原成O2,也就是所谓破坏臭氧.
4．为什么不易禁用氟利昂
这是因为氟利昂制热、冷快,并且它是“最好的”元素.为什么这样说呢?因为发明它的人发现,在元素周期表里,越往上非金属性越强,毒性越弱；越往右活泼性越弱,反应越不强烈,而这正是科学家所需要的.于是经过反复试验,找到了氟和氟利昂,他们在元素周期表的右上角.如果改用其他元素,必然也会有一些缺点.
5．“无氟冰箱”真的无氟?
其实按目前的科学水平来讲,还不太可能找到氟的替代品.所谓“无氟冰箱”的冷冻剂也只是在试验当中的冷冻剂,有的时候还在用少量氟利昂,所以目前没有很好的真正无氟的“无氟冰箱”.但是在不久后,有可能找到氟的替代品,也就有可能生产“无氟冰箱”.
臭氧空洞的由来
来自美国宇航局新闻公报的消息说,2000年10月,南极上空的臭氧空洞面积达到2900万平方公里,这是迄今为止观测到臭氧空洞的最大面积.那么南极臭氧洞是怎么回事?大气中的臭氧空洞还会持续多久?
其实,人们对地球大气中的臭氧并不陌生,它由三个氧原子构成,是普通氧气的同胞兄弟.通过长期研究,科学家们证实,臭氧是地球大气中的一种微量气体组份,它是由于大气中的氧分子被太阳的紫外辐射分解成氧原子后再与周围的氧分子迅速结合而形成的.在地球大气中,大约有90％的臭氧含量集中在离地球表面10—50公里的高度范围内,这就是人们所说的大气臭氧层.
大气中的臭氧含量只占大气的百万分之几,其平均密度约为每立方厘米0.9×10－10克.如果把地球大气中所有的臭氧都集中在地球表面上,则它只形成约3毫米厚的一层气体,其总重量也不过为30亿吨左右.然而它对地球大气中的化学、辐射和动力学过程有着重要影响.更重要的是,大气中的臭氧可以吸收掉太阳紫外辐射中绝大部分对生命有伤害的紫外辐射,从而使地球上一切生命免受过量太阳紫外辐射的伤害而得以正常生存和繁衍. 可以毫不夸大地说,地球上的一切生命就像离不开水和氧气一样离不开大气臭氧层,大气臭氧是地球上一切生灵的天然保护伞.
对大气中的臭氧的较系统观测研究始于20世纪中期,从那时起在全世界范围内逐渐形成了对大气臭氧的全球观测系统并按世界气象组织（WMO）的规定的统一规范对大气臭氧进行着日常业务观测.观测结果表明,较长时间以来,全球大气中的臭氧含量没有发现有明显变化.
但是1985年,人们未预料到的事发生了,这一年,英国科学家乔·弗曼等人首次报道,1980—1984年间,南极上空每年春季（即10月）臭氧含量与同年3月相比大幅度下降,出现了臭氧洞.这对人类自身的生存构成了威胁,从而引起了世界各国政府和人民大众的普遍关注,并构成了当今人类面临的重大环境问题之一.
所谓南极臭氧洞是指南极地区上空大气臭氧总含量季节性大幅度下降的一种现象,并非臭氧完全消失出现了真正的洞,南极臭氧洞通常于每年8月中旬开始逐渐形成,10月中、上旬达到最大面积,并于11月底或12月初臭氧洞消失.对迄今已掌握的卫星和地面观测资料的分析表明,南极大陆上空大气中臭氧含量的明显减少始于20世纪70年代末,1982年10月南极上空首次出现了臭氧含量低于200DU（DU为多普逊臭氧单位）的区域形成了臭氧洞,在随后的几年里臭氧洞的面积不断扩大,洞内的臭氧含量不断降低.进入20世纪90年代以来,南极臭氧洞继续发展,臭氧洞的最大面积已由80年代末的2000万平方公里左右扩展到目前的大约2900万平方公里.
南极上空臭氧层的严重耗损向人们提出了一个严肃的科学问题：是什么原因导致了南极臭氧洞的形成?究竟谁是破坏大气臭氧层的元凶?自1985年首次关于南极臭氧洞的报道以来,科学家们围绕南极臭氧洞的形成原因开展了大量地实地考察和理论研究工作,在一段时间内曾争论不休,众说纷纭,先后提出了多种假说.到目前为止,基于大量研究结果,科学家们已基本上取得了共识,即认识到南极臭氧洞是人类活动造成的,是人类向大气中排放的氟氯烃化合物（CFCS）等导致了大气臭氧层的破坏.20世纪以来,随着工业的发展,人们在制冷剂、发泡剂、喷雾剂以及灭火剂中广泛使用性质稳定、不易燃烧、价格便宜的氟氯烃物质以及性质相似的卤族化合物,这些物质在大气中滞留的时间很长（有的可达100年以上）容易积累,当它们上升到高层大气之后,在强烈太阳紫外辐射作用下会使臭氧分子遭到破坏.人类向大气中排放的氟氯烃等物质对大气臭氧的破坏是全球性的,在南极地区,只是由于其上空特殊的热力和动力学条件才造成了臭氧含量的季节性大幅度下降,形成了臭氧洞.
早在20世纪70年代初期,科学家们指出人类向大气中排放的氟氯烃等物质会使大气中的臭氧遭到破坏,随后联合国环境署制定了“世界保护臭氧层行动计划”,80年代初一些国家率先开始了保护臭氧层的行动,并于1985年21个国家的政府代表签署了《保护臭氧层维也纳公约》,呼吁各国政府采取联合行动,保护臭氧层.1987年9月,36个国家和10个国际组织的140名代表和观察员在加拿大蒙特利尔集会,通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,进一步提出了控制消耗臭氧层物质的具体措施和方案.到目前为止,《议定书》的缔约方已达到165个之多,反映了世界各国政府对保护臭氧层工作的重视和责任.不仅如此,联合国环境署还规定从1995年起,每年9月16日为“国际保护臭氧层日”,以增加世界人民保护臭氧层的意识,提高参与保护臭氧层行动的积极性.
我国政府和科学家们非常关心保护大气臭氧层这一全球性的重大环境问题.我国早于1989年就加入了《保护臭氧层维也纳公约》,先后积极派团参与了历次的《公约》和《议定书》的缔约国会议,并于1991年加入了修正后的《议定书》.我国还成立了保护臭氧层领导小组,开始编制并完成了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》.根据这一方案,我国已于1999年7月1日冻结了氟氯化碳的生产,并将于2010年前,全部停止生产和使用所有消耗臭氧层物质.
全球范围内大气臭氧层的耗损和南极臭氧洞的出现是大自然报复行动,是人类自己酿制的苦果,人类要为此付出代价.近20年来,全球平均臭氧浓度每10年约减少3％,南极和北极上空臭氧耗损严重.值得注意的是,在人群集中的北半球中纬度地区,20世纪90年代以来,在冬季连续观测到了1957年以来的最低臭氧值,在青藏高原地区上空夏季也出现了臭氧的低值中心.这些观测事实表明,在全球范围内,大气臭氧层确实在变薄,在高纬度地区尤为明显.科学家们预言,这种臭氧层变薄的过程还会继续下去.
那么,这种令人担心的臭氧层变薄还会持续多长时间呢?科学家们的回答是,这完全取决于人类自己.最近,诺贝尔化学奖获得者保罗·克鲁森预告,臭氧洞可望在30—40年后消失,显然,这是一种比较乐观的估计.按照目前科学界对大气臭氧层耗损原因的认识,臭氧层变薄主要是由于人类向大气中排放消耗臭氧层物质引起的,目前,这种物质在大气中的浓度还在继续增加,即使按照《蒙特利尔议定书》的约定,在2000年前全世界都停止对消耗臭氧层物质的生产和使用（实际上已不可能）,但由于这种物质在大气中寿命很长,它们在大气中的浓度也还会继续增加,并可能在21世纪初达到最大值后,才开始逐渐减少.这就意味着,如果大气中的一些基本过程没有明显变化,那么大气中臭氧的耗损会一直延续到21世纪中期以后.
当然,大气臭氧层变化涉及到发生在大气中的一系列复杂的物理、化学和动力学过程,其中有些问题目前尚未被科学家所认识,因此,上述预言在科学上均有一定的不确定性.但无论如何,人类应当从臭氧空洞出现这一事实中反思自己的行为,对目前臭氧层耗损可能导致的恶化人类生存环境的后果采取相应对策,并应当刻不容缓地采取行之有效的坚决行动,确实保护好人类赖以生存的大气臭氧层.
成因：
在高层大气中（高度范围约离地面 15～24 km）,由氧吸收太阳紫外线辐射而生成可观量的臭氧（O3）.光子首先将氧分子分解成氧原子,氧原子与氧分子反应生成臭氧： O2 2O O＋O2→O3
O3和O2属于同素异形体,在通常的温度和压力条件下,两者都是气体.
当O3的浓度在大气中达到最大值时,就形成厚度约20km的臭氧层.臭氧能吸收波长在220～330nm范围内的紫外光,从而防止这种高能紫外线对地球上生物的伤害.
现象：
过去人类的活动尚未达到平流层（海拔约30km）的高度,而臭氧层主要分布在距地面20～25km的大气层中,所以未受到重视.近年来不断测量的结果已证实臭氧层已经开始变薄,乃至出现空洞.1985年,发现南极上方出现了面积与美国大陆相近的臭氧层空洞,1989年又发现北极上空正在形成的另一个臭氧层空洞.此后发现空洞并非固定在一个区域内,而是每年在移动,且面积不断扩大.
危害：
臭氧层变薄和出现空洞,就意味着有更多的紫外辐射线到达地面.紫外线对生物具有破坏性,对人的皮肤、眼睛,甚至免疫系统都会造成伤害,强烈的紫外线还会影响鱼虾类和其他水生生物的正常生存,乃至造成某些生物灭绝,会严重阻碍各种农作物和树木的正常生长,又会使由CO2量增加而导致的温室效应加剧.
人类活动产生的微量气体,如氮氧化物和氟氯烷等,对大气中臭氧的含量有很大的影响.引起臭氧层被破坏的原因有多种解释,其中公认的原因之一是氟里昂（氟氯甲烷类化合物）的大量使用.氟里昂被广泛应用于制冷系统、发泡剂、洗净剂、杀虫剂、除臭剂、头发喷雾剂等.氟里昂化学性质稳定,易挥发,不溶于水.但进入大气平流层后,受紫外线辐射而分解产生CI原子,CI原子则可引发破坏O3循环的反应： CI＋O3→CIO＋O2 CIO＋O→CIO2
由第一个反应消耗掉的CI原子,在第二个反应中又重新产生,又可以和另外一个O3起反应,因此每一个CI原子能参与大量的破坏O3的反应,这两个反应加起来的总反应是： O3＋O→2O2
反应的最后结果是将O3转变为O2,而CI原子本身只作为催化剂,反复起分解O3的作用.O3就被来自氟里昂分子释放出的CI原子引发的反应而破坏.
另外,大型喷气机的尾气和核爆炸烟尘的释放高度均能达到平流层,其中含有各种可与O3作用的污染物,如NO和某些自由基等.人口的增长和氮肥的大量生产等也可以危害到臭氧层.在氮肥的生产中去向大气释放出各种氮的化合物,其中一部分可能是有害的氧化亚氮（N2O）,它会引发下列反应： N2O＋O→N2＋O2
N2＋O2→2NO NO＋O3→NO2＋O2 NO2＋O→NO＋O2 O3＋O→2O2
NO按后两个反应式循环反应,使O3分解.
措施：
为了保护臭氧层免遭破坏,于1987年签定了蒙特利尔条约,即禁止使用氟氯烷和其他的卤代烃的国际公约.然而,臭氧层变薄的速度仍在加快.不论是南极地区上空,还是北半球的中纬度地区上空,O3含量都呈下降趋势.与此同时,关于臭氧层破坏机制的争论也很激烈.例如大气的连续运动性质使人们难以确定臭氧含量的变化究竟是由动态涨落引起的,还是由化学物质破坏引起的,这是争论的焦点之一.由于提出不同观点的科学家在各自所在的地区对大气臭氧进行的观测是局部和有限的,因此建立一个全球范围的臭氧浓度和紫外线强度的监测网络,可能是十分必要的.
联合国环境计划署对臭氧消耗所引起的环境效应进行了估计,认为臭氧每减少1％,具有生理破坏力的紫外线将增加13％,因此,臭氧的减少对动植物尤其是人类生存的危害是公认的事实.保护臭氧层须依靠国际大合作,并采取各种积极、有效的对策.
参考资料：网上