臭氧层为什么被称为“地球之盾”?臭氧洞为什么只在南极有?

2018年11月14日
撰文/陆龙骅
本文节选自《知识就是力量》杂志
 
臭氧层被誉为地球上生物生存繁衍的保护伞。但随着人类活动的加剧,地球表面的臭氧层出现了严重的空洞。
那么,臭氧究竟是什么?臭氧层空洞是怎么回事,它会对人类造成什么危害?目前臭氧层的情况如何呢?我们一起来看~
一、臭氧层:地球之盾
臭氧是一种由 3 个氧原子组成、有特殊“臭”味的气体,主要分布在平流层,特别是在离地面 20 30 千米的臭氧层里浓度最大。它是一种化学性质很不稳定和氧化性很强的物质,在平流层中的生成和分解与太阳辐射有密切关系。臭氧是一种痕量气体,在大气中含量很少。在标准情况下,如果把大气柱中的臭氧全部收集起来,其全球平均累积厚度仅为 3 毫米左右。臭氧总量通常用多布森单位(DU)来度量,1 个多布森单位指的是,标准状况下臭氧累积厚度为 0.01 毫米,3 毫米就是 300 DU
可别小看这区区的 3 毫米,就是这平均 3 毫米的臭氧层,大量吸收了来自太阳的紫外辐射,其中对生物特别有害的 UV-B 辐射大部分(95%)被吸收,对地球生态系统和大气环境有重要影响。可以形象地说,臭氧层就是保护地球生命的盾牌。若没有臭氧层,我们赖以生存的地球就会在对生物有致命杀伤的太阳紫外线面前毫无遮拦,其结果将是地球生灵的灭绝。
全球臭氧层的减薄也会对人类健康、地球生态平衡、近地面大气环境等发生重大影响。臭氧每减少 1%,皮肤癌发病率将增加 2% 4%,白内障患者将增加0.3%0.6%;强烈的紫外线使农作物和植物受到损害,使浮游生物,鱼苗、虾、蟹幼体和贝类大量死亡,甚至造成某些生物灭绝,进而影响全球生态平衡;臭氧层减薄使到达地面的紫外线增强,增强的紫外线使城市中汽车尾气的氮氧化物分解,在近地面形成以臭氧为主要成分的光化学烟雾。此外,臭氧本身也是一种温室气体,其浓度及在大气中分布的变化也会对地球大气温室效应发生影响。
二、年年不同的南极臭氧洞
南极臭氧洞的强度和范围时大时小,每年都是有变化的,“空洞”中的最低值也是波动的,并不像有的媒体所说的“日益加大”。
20 70 来,全球臭氧总量是下降的,尤其是在南极地区下降最明显。80 年代中期,日本和英国科学家先后发现 , 春季南极站观测到的大气臭氧总量值与 10 年前相比减少了 30% 40%随后美国科学家用卫星资料也证实了这一结果。在春季 , 南极地区臭氧总量急剧减少 , 会出现低于全球平均值 30 40% 的闭合低值区 , 与周围地区相比 , 就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”,这就是南极臭氧洞(图 1)。
1979 年春季,南极地区刚出现臭氧洞时,范围并不大,随后臭氧洞的范围逐年扩大;1988 年后则稍有缓和;1990 年以后,南极“臭氧洞”现象再次加剧,维持时间也加长。2000年和 2006 年,南极臭氧洞最大时面积超过 2900 万平方千米,差不多有三个中国那么大,占据了整个南极洲,其中心地区的臭氧总量与正常值相比耗损了 70% 左右;而在南极臭氧洞最小的 2002 年,臭氧洞的面积不到 300 万平方千米,只有近 10 年来平均值的 1/7
南极臭氧洞并不是全年都存在的,只在南极春季出现。通常南极臭氧在 7 月下旬开始减少,8 月中旬后就出现较为明显的臭氧洞,9 月下旬到 10 月上旬臭氧洞的面积最大,10 月底后臭氧急剧增加 , 臭氧洞逐渐填塞,12 月中旬恢复正常,就不再有臭氧洞了。
三、臭氧洞是怎么来的?
研究表明,南极臭氧洞是大气动力、光化学和平流层冰晶云等因素相互作用和影响的产物;也与大气环流,特别是平流层极地涡旋的活动密切相关。用大气动力学、太阳活动及大气化学等单个因素都无法圆满地解释南极臭氧洞形成的原因。
南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。为制造冰箱和空调器等,人类发明和使用了氟利昂和溴化烃等含氯和溴的化合物,正是这类污染物质最终导致了臭氧层的破坏,在南极地区的实地考察研究也找到了氯氟烃等物质消耗臭氧层的确凿证据。人类活动排放到大气中的氟利昂和溴化烃等含氯和溴的消耗臭氧层物质(ODS),在极地平流层低温条件下形成的冰晶云 (PSCs) 或液态硫酸气溶胶表面,会通过光化学反应大量消耗臭氧,而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶,只有在温度低于-78℃时才出现。
因此,形成臭氧洞需要满足 2 个条件:
1、人为因素:大气中存在人类活动排放的氟利昂和溴化烃等消耗臭氧层物质;
2、自然因素:春季南极平流层极地涡旋中较长时间的低温。
只有同时满足这两个条件,在平流层极地涡旋中低温(温度低于 -78℃)条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面,吸附了大气污染物质,才能在太阳光照耀下,激发氯和溴的活性,通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞。
四、北极也很危险
近几十年来,北极地区的臭氧也是减少的,但迄今为止,还未出现过像南极那样的“臭氧洞”。北极会不会出现“臭氧洞”也是大家十分关心的。在任何一张全球臭氧分布图上,我们都可以看到,既有高值区,也有低值区。
臭氧洞有严格的科学定义,并不是所有的臭氧低值区都能称为臭氧洞。在南极春季出现的臭氧洞至少有 3 个特点:
①低值区的臭氧数值低,在 220 DU 以下;
②低大,低220 DU 的范围经常超过百万平方千米;
③低值持续时间长,常为2~4 个月。
220 DU250 DU 定为出现的臭氧洞的标准是因为:首先,220 DU 接近低于全球平均值 30%26.7%);再则,在北极秋天或赤道附近,偶尔也会出现由于动力等原因产生的低于 250 DU 的低值区,用 250DU 作为标准不合适。因此用 220 DU 作为是否出现臭氧洞的标准是科学的。
北极更加接近人类活动的地区,北极大气中污染物的浓度也比较高,与南半球相比污染更为严重,但是它不满足,或很难满足形成臭氧洞的平流层极涡中低温的必要条件。南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆,而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。海陆分布的差异,对气候和大气环流产生了很大影响。例如,全球最低气温出现在南极地区,且南极的最低气温至少比北极低 20℃;在平流层极地涡旋中,南极的温度也低于北极。虽然北极冬季平流层极地涡旋中的温度也能低于 -78℃,但在极夜过后的春季,北极平流层极地涡旋中的温度大多在 -78℃以上,在春季北极平流层中,很难满足形成冰晶云的低温条件。
1979 年以来,只有 2011 年和 1997 年,由于北极极涡强、温度特低,在极夜过后的春季,平流层极涡短暂 (10~15 ) 保持了低于 -78℃的低温。2011 年在北极地区,出现了亏损 40% 的异常低值中心,此时因化学原因产生的臭氧亏损量为 160~200 DU,可与发生南极臭氧洞时的亏损量相比拟。虽此时北极平流层中大气臭氧的化学亏损的数值也很大,但由于当地春季大气臭氧通常为 400 DU 以上,本底值要比南极地区高 100DU;加之低温持续时间短,在北极仍未出现低于220 DU 的区域。
虽然当前北极并未形成真正意义上的臭氧“空洞”,但是在 1997 年和 2011 年北极臭氧的化学亏损基本上达到了生成臭氧洞的边缘,这引起大家的关注。如果由于气候变化,使北极平流层温度更低,时间持续更长,那么在极端情况下,出现北极臭氧洞的可能性也不能排除。
南极地区除考察队员外,没有常住居民;人类大多数居住在北半球,北极臭氧的减少对于人类的影响应该超过南极,人们对北极臭氧减少的担忧也是理所当然的。对此关注是应该的,而恐惧则没有必要。
臭氧层的保护事关人类生存环境的安全。令人欣慰的是,由于国际社会的共同努力,特别是《蒙特利尔议定书》的执行,目前大气中消耗臭氧层物质增长的趋势已被扼制,大气中污染物质的浓度,包括氟利昂的浓度,无论在南极地区,还是在北极地区,增长的速度在减慢,目前基本上处于平稳状态,并开始慢慢下降。
本文来源:知识就是力量公众号
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