为什么臭氧层空洞在南极上空,而不是北极或其他地方?
臭氧在1849年首次被人类发现,臭氧层问题是美国化学家罗兰和穆连于1974年首先提出来的。他们认为,在对流层大气中极稳定的化学物质氯氟烃(CFC)被输送到平流层后,在那里分解产生的原子氯(CI)就将有可能破坏臭氧层。20世纪70年代末开始,科学家们开始每年春天在南极考察臭氧层。1994年,人们首次观察到了至今为止最大的臭氧空洞,它的面积相当于一个欧洲,有2400万千万千米。
臭氧(03)是氧气(O2)的一种异构体,在大气中的含量仅占一亿分之一,其浓度因海拔高度而异。臭氧层可以说是地球的保护层,它主要围绕在地球外部离地面20-25公里高度的地方,起到吸收太阳紫外线中对生物有害部分UV-B(UV-B是紫外线的一段波长,为280-315nm)的作用。同时,由于紫外线是平流层的热能来源,臭氧分子是平流层大气的重要组成部分,所以臭氧层在平流层的垂直分布对平流层的温度结构和大气运动起著决定性的作用,发挥著调节气候的重要功能。南极上空的臭氧层是在20亿年的漫长岁月中形成的,可是仅在一个世纪里就被破坏了60%。
氟利昂作为氯氟烃物质中的一类,是一种化学性质非常稳定,且极难被分解、不可燃、无毒的物质,被广泛应用于现代生活的各个领域。清洁溶剂、制冷剂、保温材料、喷雾剂、发泡剂等中都使用了氟利昂。氟利昂在使用中被排放到大气后,其稳定性决定它将长时间滞留于此达数十年至100年。由于氟利昂不能在对流层中自然消除,只能缓慢地从对流层流向平流层,在那里被强烈的紫外线照射后分解。分解后产生的原子氯将会破坏臭氧层。研宪表明,臭氧层被破坏后,紫外线会通过大气层长驱直入。强烈的紫外线照射会抑制人的免疫力,会使白内障和皮肤癌患者增加。如果臭氧层的总量减少1%的话, UV-B就将增加2%,其结果是使皮肤癌发病率提高2-4%。此外,紫外线的增强还会影响农作物的生长,并通过对海洋中的藻类产生的影响破坏整个水生生态系统。据统计,目前全世界氟利昂的年使用量超过1O0万吨,迄今为止向大气中排放的氟利昂总量达2000万吨,大部分仍停留在对流层中,只有10%左右到达了平流层。
什么是臭氧层空洞?它为何出现在南极上空?要了解这些问题,我们必须先从臭氧层入手。
臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分,其主要作用是吸收短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气,把它分为两个原子,然后每个原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定,紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子,形成一个继续的过程臭氧氧气循环,如此产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地20-50千米的高空。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造。臭氧层空洞是大气平流层中臭氧浓度最小处,是臭氧层缺失处。而臭氧层是大气平流层中臭氧浓度最大处,是地球的一个保护层,太阳紫外线辐射大部被其吸收。有臭氧层空洞的地区会对生物产生重大的影响。
臭氧的含量虽少,却极其重要,因为这薄薄的臭氧层,能把太阳紫外线中波长短于290纳米,能杀死地球上包括人类在内所有生命的短波紫外线统统吸收掉,使地球上的生物免受紫外线的伤害。但臭氧层不吸收波长较长的太阳紫外线,这些紫外线对人类和生物则是有益的。因为它们能杀死细菌,并能促成人体内合成维生素D,以防止佝偻病的产生。所以臭氧层如同一把保护伞,保护著地球上的生命。
臭氧层空洞,是指南极上空大范围的高密度臭氧分子遭到破坏而出现的衰竭现象。臭氧层的破坏,给地球环境和人体健康带来极大危害。
首先,臭氧减少,射向地面的紫外线增多,会损害人和动物的免疫能力,易爆发流行性传染病,皮肤发生癌变,使眼睛出现白内障以至失明,还使发育停滞。其次,短波紫外线会破坏植物的叶绿素,影响植物的光合作用,使农作物减产。
原因主要是磁场的影响,因为地球是一个大的磁铁,所以宇宙高能粒子的作用轨迹受磁场影响而导致南极臭氧空洞.
当前,对南极上空出现臭氧空洞的原因有种种解释,归纳起来有如下三点:
(1)宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层。由于大气层总环流的稳定性和地球磁场的不同结构,北极磁场比南极磁场较强和均匀,因此这种化学过程只对南极大陆产生影响。
(2)化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞。
(3)大量废气的排放使臭氧层出现空洞。显然.其中的第一点显然是使南极臭氧空洞最大的主要原因.
还有一些原因,比如对流层的稀薄(南极大陆高)
也对南极空洞产生严重作用.
那么到底是谁破坏了臭氧层?绝大多数科学家以为,「元凶」是由人类活动排放到大气里的氯氟烃。这种物质世界上本来没有,使20世纪30年代人类使用制冷剂、发泡剂、灭火剂等制造出来的一种化合物。它的性能极其稳定,在低层不易分解,上升到平流层后,在强烈紫外线作用下分解产生氯原子,从臭氧众夺取一个氧原子,成为一氧化氯,臭氧分子就变成了普通的氧分子。而一氧化氯是不稳定的,空气中游离的氧原子可以夺取其中的氧原子而成为普通的氧分子,氯原子则再次游离出来去重复上述破坏臭氧分子的过程。这种过程可以重复上万此,使臭氧的浓度不断降低,最后便形成了臭氧层空洞。可见,人为排入大气中的氯氟烃是一个名副其实的臭氧杀手。可见,氯氟烃的源地是在北半球,且北半球大气中氯氟烃的浓度比南半球还略高,为什么臭氧层空洞却发生在南极呢?这与南极特异的气候有关。因为南极大陆纬度高,海拔高,冰川反射率强,具有特殊的环极旋涡和低温条件,环极旋涡把南极大陆封闭起来,从北方来的富含臭氧的气流不能进入它的上空。低温使南极上空大气中有众多的冰晶云,云中的冰晶不断吸收氯氟烃气体,浓度越来越高,更加速了对臭氧的破坏。
另外,北极也发现过臭氧洞,不过这个洞是可以被修补的,因为北极的大气环流不存在南极的独特条件、大气环流余地球的自转也有关系。
最近,北极地区上空出现了一个巨大的臭氧层空洞,这可能是该地区有史以来出现的最大的空洞,与每年在南极形成的臭氧层空洞面积相当。据《自然》报道,目前,北极中部的大部分地区(覆盖面积约为格陵兰岛的3倍)的臭氧水平创下了历史新低,这个有可能在未来几周内破裂的臭氧层空洞不会威胁人类健康,但作为一种非凡的大气现象,它将被载入史册。