臭氧层空洞破坏论文
在距离地球表面15~25公里处,聚集了大气中90%的臭氧,我们将这一层高浓度的臭氧 称为"臭氧层".臭氧对太阳的紫外线辐射有很强的吸收作用,能有效地阻挡对地表生物有 伤害作用的短波紫外线.因此,我们可以推测,直到臭氧层形成之后生命才有可能在地球上 生存,延续和发展.臭氧层是地表生物系统的"保护伞".本文将着重讨论臭氧层空洞的形 成原因与防治措施,并结合现状对臭氧层空洞的危害进行了详细的分析.最后,呼吁加强环 境保护,防治臭氧层空洞. [关键词] 臭氧层 原因 现状 危害 防治措施 一.引言 近三十年来,随着工业革命的开始,平流层中的臭氧正遭受越来越严重的破坏.现在 科学家已经找到了破坏臭氧层的罪魁祸首,那就是氟氯烃类化合物.人类万万没有想到,氟 氯烃在造福人类的同时会跑到天上去闯祸.农药和家电业中出现了许多不顾环境保护,过度 使用氟里昂的现象.如果对于这种现象,我们不尽快采取措施来制止,人类赖以生存的臭氧 层迟早将不复存在,臭氧层也将无法充当地表生物系统"保护伞"的功能,人类必将毁灭于 自己造成的灾难之中. 二.什么是臭氧层 臭氧就是三原子氧(O3),是我们熟知的氧气的同素异形体(由相同的元素组成,但分 子结构不同).臭氧有一种刺鼻的气味,所以得此恶名.在距地表10公里到50公里高度的 区域,含有较多的臭氧,称这个臭氧较集中的 气层为臭氧层,它跨越平流层和中间层.臭氧 层是法国科学家C.法布里于20世纪初发现 的.大气中的臭氧含量除了随高度变化外,还 随纬度和季节的不同以及昼夜交替而变化.臭 氧层的臭氧含量与其他大气成分相比是很小 的,只是大气的微量成份,把整个臭氧层的臭 氧折算到标准状态(气压1013.25百帕,气温 273.15K),其总累积厚度为0.15~0.45厘米, 平均约0.30厘米(称这种方法叫做柱浓度 法),采用多布森单位(Dobuson unit,简称D.U)来表示,正常大气中臭氧的柱浓度为300D.U. 臭氧层示意图(1) 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 三.臭氧层的作用 臭氧是有特殊臭味的淡蓝色气体,具有极强的氧化性,能漂白和消毒杀菌.用臭氧净 化城市饮用水,处理生活污水和工业污水,比用氯气,高锰酸钾等消毒剂既经济又不会引起 二次污染.用1kg臭氧处理1000 m3水,能达到消毒,脱臭,脱色,脱味,氧化水中有机物 的作用. 臭氧对人类的贡献不仅是用作漂白剂和消毒杀毒剂,更重要的是臭氧层作为地球的屏 障,保护了一切生命.大气中的臭氧的含量虽然很少,但是它在地球环境中所起的作用却非 常重要.臭氧能吸收日光中波长2.0×10-7 m～3.0×10-7 m的电磁波,因此能滤掉日光中 99%以上的紫外线,对地球表面形成保护层.第一,它是地球生物的保护伞.因为臭氧层阻 挡了太阳辐射中的大部分紫外线,使地面生物免受紫外线的伤害,而少量穿透大气层到达地 面的紫外线对人类和生物则是有益的.第二,它是引起气候变 化的重要因素.臭氧对太阳紫外线辐射的吸收是平流层的主要 热源,平流层臭氧浓度及其随高度的分布直接影响平流层的温 度结构,从而对大气环流和地球气候的形成起着重要作用,因 此,平流层臭氧浓度的变化是大气的重要扰动因子.如果没有 臭氧层,大量紫外线照射到地球上,地球生态平衡将受到破坏, 微生物被杀死,核酸与蛋白质受到破坏,平流层温度也将改变. 有了臭氧层,地球上的生物才得以生存. 臭氧层作用示意图(2) 四.臭氧层的现状 由于臭氧有其特殊的性质,并易受各种因素的影响,所以臭氧层又是十分脆弱的. 1985年,英国科学家法尔曼(Farmen)等人总结他们在南极哈雷湾观测站(Halley Bay) 的观测结果,发现从1975年以来,那里每年春天(南极10月份)总臭氧浓度的减少超过 30%,并证实其同氟利昂(CFCs)分解产生的氯原子有直接关系,这一消息震惊了全世界. 南极上空的平流层臭氧发生急剧的大规模的耗损,极地上空臭氧层的中心地带近95%的臭氧 被破坏;从地面向上空观测,高空的臭氧层已经极其稀薄,与 周围相比好似形成了一个中空的"洞",直径上千里."臭氧空 洞"就由此而得名.这个事实后来被美国科学家进一步证实. 但全球其它地区臭氧总量下降并不大,因而形象地称此现象为 "南极臭氧洞".卫星观测表明,臭氧空洞的覆盖面积有时甚 至比美国的国土面积还要大.自1985年发现"臭氧洞"以来 到1987年它变得既宽又深,1987年10月,南极上空的臭氧 浓度降到了1957~1978年间的一半,臭氧洞的面积则扩大到足 以覆盖整个欧洲大陆,还曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空 .1988年虽然有所缓解, 形象化的臭氧空洞(3) 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 但1989年以后到90年代的前几年里,每年南半球春季都出现很强的"臭氧洞",1994年 到1996年南极臭氧洞还在扩大.最近从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回的数据获 悉,"南极臭氧洞"面积已达2400平方千米,最薄处只有100多布森单位(100dobson,相 当于1毫米厚度). 以上情况表明,臭氧层这个地球生命的保护伞,正在遭到严重的破坏, 研究其原因和机制并提出切实可行的保护措施,已成为全世界共同面临的重大问题. 五.臭氧层破坏的原因 人类活动的影响,主要表现为对消耗臭氧层物质的生产,消费和排放方面.大气中的 臭氧可以与许多物质起反应而被消耗和破坏.在所有与臭氧起反应的物质中,最简单而又最 活泼的是含碳,氢,氯和氮几种元素的化学物质,如氧化亚氮(N2O),水蒸汽(H2O), 四氯化碳(CCI4),甲烷(CH4)和现在最受重视的氯氟烃(CFC)等.这些物质在 低层大气层中正常情况下是稳定的,但在平流层受紫外线照射活化后,就变成了臭氧消耗物 质.这种反应消耗掉平流层中的臭氧,打破了臭氧的平衡,导致地面紫外线辐射的增加,从 而给地球生态和人类带来一系列问题. 1.臭氧的平衡 在自然状态下,大气层中的臭氧是处于动态平衡状态的,当大气层中 没有其它化学物质存在时,臭氧的形成和破坏速度几乎是相同的,然而大气中有一些气体, 例如亚硝酸,甲基氧,甲烷,四氯化碳,以及同时含有氯与氟(或溴)的化学物质,如CF C和哈龙等,它们能长期滞留在大气层中,并最终从对流层进人平流层,在紫外线辐射下, 形成含氟,氯,氮,氢,溴的活性基因,剧烈地与臭氧起反应而破坏臭氧.这类物质进人平 流层的量虽然很少,但因起催化剂作用,自身消耗甚少,而对臭氧的分解作用十分严重,导 致臭氧平衡的打破,浓度下降,这就是目前臭氧问题的症结所在. 氯氟烷烃与臭氧层氯氟烷烃是一类化学性质稳定的物质 ,在大气对流层中不易分解, 寿命可长达几十年甚至上百年.但它进人平流层后,受到强烈的紫外线照射,就会分解产生 氯游离基CI ,氯游离基与臭氧分子O3作用生成氧化氯游离基ClO 和氧分子O2消耗 掉臭氧进而氧化氮游离基再与臭氧分子作用生成氯游离基,如此,氯游离基循环产生,又不 断与臭氧分子作用,使一个CFC分子可以消耗掉成千上万的臭氧分子.其主要反应式如下 (以CFC-11为例): CFCl3→ CFCl2+CI CI +O3→CIO +O2 ClO +O3→Cl•+2O3 作为臭氧层破坏元凶而被人们高度重视的CFC,是本世纪20年代合成的,其化学性 质稳定,不具有可燃性和毒性,被当作制冷剂,发泡剂和清洗剂,广泛用于家用电器,泡沫 塑料,日用化学品,汽车,消防器材等领域.80年代后期,氟利昂的生产达到了高峰,产 量达到了144万吨.在对氟利昂实行控制之前,全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000 万吨.由于它们在大气中的平均寿命达数百年,所以排放的大部分仍留在大气层中,其中大 部分仍然停留在对流层,一小部分升入平流层. 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 2.溴化物与臭氧层 世界气象组织认为,溴对整个平流层中臭氧的催化破坏作用可能 比氯更大.南极地区臭氧的减少至少有2%是溴的作用所致.有人指出,在对极地臭氧的破 坏中,BrO与ClO反应可能起重要作用: BrO+ClO→Cl +O2 Br +O3→BrO+O2 Cl +O3→ClO+O2 整个反应使 2O3→3O2. 对极地平流层的BrO和ClO的观察支持这种观点,并由 此认为南极地区臭氧破坏的作用20%～30%是由溴化物引起的,而且认为,溴对北半球臭 氧的破坏可能更加严重.所以溴化物的量虽少,作用却不可低估. 3.氮氧化物与臭氧层 氮氧化物系列中的N2O(氧化亚氮),化学性质稳定,至今还不 清楚它对生物的直接影响,因而还未列为大气污染物.但是,N2O类似于氯氟烃能破坏平 流层臭氧,类似于二氧化碳也是一种温室气体,并且其单个分子的温室效应能力是CO2分 子的100倍. 世界消耗臭氧物质产量(1940-1993)(4) 4.南极臭氧洞的形成原因 关于南极臭氧洞的形成和发展,人们曾认为主要是由于C FC单个因素的破坏,但是,用CFC的光化学反应不可能解释臭氧洞的准两年周期波动和 11年左右的周期变化.并且为什么大气中OSD物质多来自于北半球,而臭氧层的损耗又以 南极最为剧烈呢 在南极地区的大规模大气物理和化学综合观测以及相应的化学动力学理论和实验研 究,较好地回答了为什么在南极地区的冬春两季,南极大陆被一个顺时针旋转的强大空气涡 旋包围起来,这条绕极风带使得南极上空的空气相对封闭,阻碍了来自南极大陆以外区域的, 富含臭氧的空气混入南极上空的空气中.每年4月～8月盛行很强的南极涡旋,它经常把冷 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 气团阻塞在南极达几个星期,使南极平流层极冷(一84℃以下),因而形成了平流层冰晶云. 在涡旋中上升的空气气温下降速率极大,离地面20千米的高空(南极臭氧浓度最大高度), 气温常低至-80℃~-90℃,大气中的OSD 气体大量凝结于冰晶中,浓度不断加大.到了9月 是南极的春季,极昼来临,冰晶云升温,释放出大量的OSD 气体,而OSD 气体在太阳紫外 线的作用下释放Y分子,臭氧的去除反应迅速进行,臭氧洞便形成并不断加深.直到春末南 极涡旋减弱消失,周围富含臭氧的空气进入南极,臭氧空洞才被填补.实验证明,在这种特 定的条件下,破坏臭氧的两个过程(即Cl+O3→ClO+O2和ClO+O→Cl+O2) 将因原子氯的活性大大增加而变得更为有效,这就使南极春天平流层臭氧浓度大幅度下降. 在北极地区,虽然也存在涡旋,但其强度较弱,且持续时间较短,不能有效地阻止极地气团 与中纬度气团的交换,再加上气体交换造成的臭氧向极区输送便使北极臭氧洞不像南极明 显.科学家认为上述两个因素是导致南极地区臭氧损耗情况最为严重的主要原因. 1945-1995年南极上空臭含量示意图(5) 辣 .臭氧层破坏的危害 臭氧层破坏的后果是很严重的.如果平流层的臭氧总量减少1%,预计到达地面的有害 紫外线将增加2%.由于臭氧层中臭氧的减少,照射到地面的太阳光紫外线增强,其中波长 为240~329纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用,对生物圈中的生态系统和各种生 物,包括人类,都会产生不利的影响. 1.对人体健康的影响 紫外线UV-B的增加对人类健康有严重的危害作用.一般将来自太阳的紫外辐射按照波 长的大小分为三个区,波长在315—400nm(1nm=10负九次方米)之间的紫外光称为UV-A 区,该区的紫外线是地表生物所必需的,它可促进人体的固醇类转化成文生素D;波长为 200-280nm的紫外光部分称为UV-C区,其不会到达地表造成不良影响;波长为280-315nm 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 的紫外光称为UV-B区,这一波段的紫外辐射是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大 危害的部分.紫外线UV-B对人潜在的危险包括引发和加剧眼部疾病,皮肤癌和传染性疾病. 据分析,平流层臭氧减少1%,全球白内障的发病率将增加0.6%—0.8%,如果不对毕业论文
http://www.751com.cn会损害皮肤细胞中的遗传物质,导致皮肤癌.研究资料表明: 平流层中臭氧每减少1%,皮肤癌就会增加2%.人体研究结果表明,暴露于紫外线UV-B中会 导致细胞内的DNA改变,人体免疫系统的机能减退,人体抵抗疾病的能力下降,大量疾病的 发病率和严重程度都会增加.臭氧层破坏 以后,人体直接暴露于紫外辐射的机会大 大增加,这将给人体健康带来不少麻烦. 损坏人的免疫力,使传染病的发病率增加. 有一些初步证据表明,人体暴露于紫外线 辐射强度增加的环境中,会使各种肤色的 人们的免疫系统受到抑制.紫外辐射增强 使患呼吸系统传染病的人增加;此外,强 烈的紫外辐射促使皮肤老化.现在,距南 极洲较近的居民已饱尝臭氧层空洞带来的 痛苦,如居住在智利南端的海伦娜岬角的 居民,只要走出家门,就一定要在衣服遮 不住的肤面涂上防晒油,再戴上太阳镜, 紫外线下的无人区(6) 否则半小时后皮肤就被晒成鲜艳的粉红色, 并伴有搔痒病. 2.对陆生植物的影响 对农作物的研究表明,过量的紫外线辐射会使植物的生长和光合作用受到抑制,使农 作物减产.植物的生理和进化过程都受到UV-B辐射的影响,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.并对植物的竞争平衡,食草动物,植 物致病菌和生物地球化学循环等都有着潜在影响.虽然植物已发展了对抗UV—8高水平的保 护性机制,但实验研究表明,它们对波长为280～320纳米水平增加的应变能力差异甚大. 迄今为止,已对200多种不同的植物进行了波长为280～320纳米的紫外线敏感性试验,发 现其中2/3产生了反应.敏感的物种如棉花,豌豆,大豆,甜瓜和卷心菜,都发现生长缓 慢,有些花粉不能萌发.有报告指出,由于臭氧层空洞的出现,南极海域的藻类生长已受到 了很大影响. 3.对水生生态系统的影响 海洋浮游植物通常是高纬度地区的密度较大,热带和亚热带地区的密度要低10到100 倍.在热带和亚热带地区普遍存在紫外线UV-B强度过高的现象,其影响着浮游植物的定向 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 分布和移动,因而减少这些生物的存活率.如果平流层臭氧减少25%,浮游生物的初级生 产力将下降10%,这将导致水面附近的生物(鱼类,贝类等)减少35%.研究人员还发现 阳光中的UV-B辐射对鱼,虾,蟹,两栖动物和其它动物的早期发育阶段都有危害作用,最 严重的影响是繁殖力下降和幼体发育不全. 4.对材料的影响 紫外线的增强还会使城市内的光化学烟雾加剧,使橡胶,塑料等有机材料加速老化, 使油漆褪色等.美国环保局估计,当臭氧层耗减25%时,城市光化学烟雾的发生几率将增加 30%,塑料等材料老化的经济损失将达47亿美元. 5.对对流层大气组成及空气质量的影响 臭氧层破坏对全球气候也具有影响,平流层中臭氧对气候调节具有两种相反的效应: 如果平流层中臭氧浓度降低,在这里吸收掉的紫外线辐射就会相应减少,平流层自身会变冷, 这样释放出的红外辐射就会减少,因之会使地球变冷. 另一方面,当前臭氧层的逐渐衰竭 或变薄必然会引起太阳紫外线直射地面,因辐射到地面的紫外线辐射量增加,使得全球气候 变暖,产生"温室效应".如果整个平流层中臭氧浓度的减少是均匀的,则上述两种效应可 以互相抵消,但是如果平流层的不同区域的臭氧层浓度降低不一致,两种效应就不会相互抵 消.现在的状况是,平流层臭氧层减少呈不均匀减少趋势,这种变化的净效应如何,还有待 科学研究进一步证实. 七.保护臭氧层的对策 臭氧层损耗是否能被停止和臭氧层能否恢复呢 回答是肯定的.一旦平流层的消耗臭氧 物质被减少,臭氧层可以进行自身恢复.只有这样,才能使其恢复到产生和消失的自然平衡 状态.然而,也只有将所有的消耗臭氧物质完全限制以后,才能达到上述目的.消耗臭氧的 化学物质要用几年的时间才能到达平流层,而且在平流层中某些物质可以存在几十年.就是 现在将消耗臭氧的所有物质完全限制,平流层中消耗臭氧的物质的减少也是几十年以后的事 情. 自20世纪70年代提出臭氧层正在受到耗蚀的科学论点以来,联合国环境规划署意识 到:保护臭氧层应作为全球环境问题,需要全球合作行动,并将此问题纳人议事日程,召开 了多次国际会议,为制订全球性的保护公约和合作行动作了大量的工作. 1977年,通过了 《臭氧层行动世界计划》,并成立"国际臭氧层协调委员会". 1985年和1987年分别签署 了《保护臭氧层文也纳公约》和《消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》.议定书最初的控制 时间表是分阶段地减少特定氟利昂的生产和消费量.到20世纪末减至1986年水平的一半. 但是,如果预测大气中包括破坏臭氧物质(有机氯化合物),全氯浓度今后的动态,则可知 即使氟利昂的排放减半,破坏臭氧层物质依然会持续增加,它们对臭氧层的威胁也会不断增 加.因而,为了控制这种趋势,使大气臭氧层的状态恢复到臭氧空洞出现之前的状态,必须 全面禁止破坏臭氧层物质的使用.因此1990年6月在伦敦召开的蒙特利尔议定书缔约国会 议上,对原议定书进行了大幅度强化控制的修改,提出到2000年要全面禁止氟利昂的使用. 《化学与社会》期中论文 微电子系 鞠原 臭氧层面临的危机已经引起了我国政府的高度重视.中国政府已于1987年加入《蒙特 利尔议定书》协议,限制或削减氟里昂的使用已列为我国环境保护的重点工作之一.我国正 在采取多种切实可行的措施削减氟里昂的使用.例如:改变城市能源结构,增加核能和可再 生能源的使用比例,提高能源使用率,减少森林破坏等.我国积极参与了国际保护臭氧层合 作,并制订了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》. 消耗臭氧层物质消费趋势(7) 八.总结 人与自然有着天然的诚信约定,每个人都有保护自然环境的义务,人类破坏环境,就是 失信于自然,必将遭受自然的惩罚.保护臭氧层就是保护地球,就是保护人类自己.为了保 护我们共同拥有的这一片蓝天,为了保障人类自身生存的质量,为了人类的可持续发展,请 大家积极行动起来,积少成多,量的变化在一定程度上就必然会引起质的改变.例如,在南 半球的澳大利亚政府和公民就非常重视环境保护.在那儿映入眼帘的到处是碧蓝的天空,绿 树掩荫的别墅,一尘不染的路面,清澈见底的海水,清静悠闲的小鸟,满眼绿色的公园;那 儿的公民崇尚自然,爱护环境,很少使用空调.澳洲政府宁要环境,不惜牺牲财富;为了避 免污染,他们连四周丰富的石油资源都宁肯不予开采.他们这种强烈的环保意识和对美好的 大自然的热爱是很值得我们学习和借鉴的.只要我们意识到问题的严重性,信守与大自然的 约定,那么我们的生存环境,我们的地球将会更加宜人,更加美好. 《化学与社会》期中论文 化学与生物系 张洪波 文中引用相关图片,表格,数据等摘录网址及参考文献: 2.中国化学图片库 3.东方图片 4.李铭 著 《了解臭氧层》 海南出版社 1999年 P123 7.李铭 著 《了解臭氧层》 海南出版社 1999年 P125 其他相关参考文献: 1. 王贵勤 编 《大气臭氧层研究简介》气象出版社 1990年 2. 宁大同 著 《全球环境导论 An introduction to global environment》 山东科学技术出版社 1996年 3. 郭世昌 著 《大气臭氧变化及其气候生态效应》 气象出版社 2002
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