臭氧空洞释放“太阳杀手”

本刊记者 段雯娟

臭氧是大气中保护地球生态环境作用极大的高空物质。臭氧层是地球的天然屏障，如同一把撑在大气层高空的无形“保护伞”，是保护地球生物和人类安全的“天兵天将”。

自1984年科学工作者在南极上空发现臭氧层空洞以来，已确认全球各地臭氧层的浓度均有减少，特别在地球的“三极”。臭氧层变薄和出现空洞，对人类和生物是灾难性的可怕现象。人们普遍认为破坏臭氧层的罪魁祸首就是人类建设新生活中新创造出来的氟利昂等一系列人造物质。它们稳定性好，寿命长，有足够的时间漫游到臭氧层，虽然数量稀少，看不见摸不着，但到达平流层后却分解放出氯原子，吞噬臭氧，破坏臭氧层。

太阳是地球生物生存和活力的源泉，万物生长靠太阳。没有太阳就没有今天的生机盎然的地球，也就没有生物和人类。但太阳不是“智慧体”，它不会对地球特别恩赐，只给地球生物和人类有益的东西（光、热）。太阳是一个巨大的敞开的“核反应堆”，每时每刻都在向周围放射各种波长的强烈辐射，有时还会发怒——骤然爆发，其辐射中的短波紫外线对人和生物都是致命的。

在地球长期演化和生物进化中恰巧形成了一种和谐的平衡关系，臭氧被安排在了高空平流层专门吸收对生物有害的紫外线，保护地球上生命的安全。如果臭氧层的臭氧减少，照射到地表的紫外线就会增多，这将是灭顶之灾。

臭氧层吸收紫外线、保护地球，没有任何别的客体取得如此的成功，也没有什么可以替代。可以说没有动态平衡的臭氧层，就没有健康的地球，就没有人和生物存在的环境。保护臭氧层也就是保护人类自己。

人类对臭氧的认识虽然有100多年的历史，积累了一定的资料，但在臭氧对生态环境、气候和人类生存与发展影响上的深刻研究，还是近30多年的事，科学工作者也提出了各自的理论解释，但观点不一，分歧较大。

臭氧层空洞的发现及变化

早在1950年，人们就已经在南极设立了观测站，对大气中的臭氧进行系统观测。1985年，英国的南极探险家法尔曼提出了南极“臭氧层空洞”的说法。他对在南极哈雷湾的观测资料的分析认为，自1975年开始，每年的早春（10月）期间臭氧的浓度减少大于30%，自1975年的290DU减少到1985年的170DU。1994至1995年的春季，北极地区平流层气温比其他年份低，结果该年平流层臭氧比正常年份减少了约30%。

也有人认为“臭氧层空洞”一词是日本学者忠钵1982年首先提出的。日本南极昭和站长年进行着臭氧浓度的观测。忠钵在1982年的南极考察中偶然发现了臭氧浓度减少的现象。当时他还以为是仪器出了问题，没有做深入的研究。1984年他在希腊举行的一次国际性会议上平平淡淡地报告了自己观测的结果，到会者也一听了之，不以为然。

1982年英国南极考察队的科学家们也曾在观测中发现，南极上空臭氧层出现了一个空洞，其中有20%的臭氧消失了，并且春季尤为明显。后来他们还发现空洞还有扩大的趋势。

1984年英国又组织科学考察队赴南极考察，科学家法尔曼等人在对南极哈雷湾观测站的观测资料分析时发现；在过去10至15年间，每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约30%，极地上空的中心地带有近95%的臭氧被破坏。从地面上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比像是形成一个“洞”，“臭氧层空洞”由此而得名。这是人类历史上第一次发现臭氧层空洞，并被公认。当时，观察此洞覆盖面积只相当于美国国土面积那么大。法尔曼还从资料研究中得出：从20世纪70年代中期以来，南极大陆上空每年春季即10月（南极夜晚刚刚结束的月份）南极上空臭氧总量逐年减少多达40%，臭氧层空洞越来越大、越来越深。本来在20km高空臭氧应该较多，现在却变得很少了。此后，英国学者再次组织力量进行考察，结果发现南极上空臭氧层空洞的确存在。

1986年美国公布卫星资料说，每年9月底南极上空臭氧开始减少，一直延续到11月初才停止；1985年南极上空臭氧层中臭氧浓度比1980年低了30%，比1975年低了50%。2000年南极上空的臭氧层空洞面积曾经一度达到2960×104km2，相当于3个美国大陆的面积，这是迄今为止所观测到臭氧层空洞的最大面积。2002年9月初科学家们估算该空洞又缩小到了150×104km2。

为了解南极臭氧层变化情况，美国航空航天局曾在1987年组织了一次大规模的南极大气臭氧试验：用2架飞机在空洞中飞行了20多次，对不同高度上臭氧层的浓度和破坏臭氧的物质进行取样测量，结果发现，春季时大约以南极极点为中心的上空有一个面积与美国一样大，深度和珠穆朗玛峰一样高的臭氧层空洞。

1994年10月，观测到臭氧层空洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。1995年观测到的臭氧层空洞的发生天数是77天，到1996年几乎南极平流层的臭氧层全部被破坏，臭氧层空洞发生天数增加到80天。

1997年至今，科学家们进一步观测到臭氧层空洞发生的时间也在提前，1998年臭氧层空洞的持续时间超过100天，是南极臭氧层空洞发现以来的最长记录，而且臭氧层空洞的面积比1997年增大约15%，几乎相当三个澳大利亚的面积。

2003年8月以来，南极上空臭氧层空洞迅速形成和扩大，目前已危及到美洲大陆最南端的火地岛和阿根廷圣克鲁斯省南部地区。这一迹象表明，南极上空臭氧层空洞的损耗状态正在恶化之中。

南极臭氧层空洞大约在每年11月中旬开始分裂，一些大的分裂片像泡泡一样向北漂移，威胁着南半球人类居住区，目前，不仅在南极，包括新西兰、澳大利亚、南美、南美部分地区上空平流层臭氧浓度都下降了30%左右，都出现了臭氧层空洞。

多国联合考察队观测发现，北极上空臭氧层也减少了20%已形成了面积约为南极臭氧层空洞三分之一的北极臭氧层空洞。在被称为是世界上“第三极”的青藏高原，中国大气物理及气象学者的观测也发现，青藏高原上空的臭氧正在以每10年2．7%的速度减少，已经成为大气层中的第三个臭氧层空洞。

地球“三极”的臭氧层空洞成因

对于大气臭氧层破坏的原因和CO2产生温室效应对环境和气候影响的看法一样，科学家界有多重不同见解，但是大多数人还是认为，人类过多使用CFCS（氯氟烃）等人造化学物质是破坏臭氧层的元凶，具体杀手是CI。

臭氧层空洞的形成是一种与物理化学、大气化学、大气环流、气候环境和太阳紫外辐射、地球磁场等多种因素有关的、复杂的大气现象和过程。目前对解释臭氧层空洞出现的成因和机理归纳起来大致有三种观点。

第一，认为动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少。第二，认为极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少。第三，认为与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧层空洞的形成。

臭氧层空洞的出现是臭氧层中臭氧不断耗损的结果。臭氧损耗的原因到底是什么，不同学者持不同观点，大多数学者认为南极上空臭氧层空洞的形成主要作用是工业文明生产出来的人造物质氟氯烃化合物（如氟利昂）和含溴卤代烷烃等化学气体造成的。它们的化学性质不活泼，寿命长的特点，使它们有足够的时间从地表附近持续不断地向高空扩散到平流层。

这类气体首先进入大气层的对流层中，在热带地区上空被大气环流混拌，然后再气流和风的作用下，又从低纬度地区的平流层向高纬度地区输送，大概经过13～15年左右时间就到达整个平流层内，并均匀混合。在高空的平流层内，受到强烈太阳紫外线的光解作用下，他们的分子发生离解，释放出高活性的原子态的CI和Br，氯和溴原子又会使臭氧分子分解成氧分子和氧原子，使臭氧分子遭破坏。

南极上空出现臭氧层空洞，自然而然地使人们想去探讨它的对称极——北极上臭氧层的变化情况。北极也有与南极相似的物理化学条件，的确北极也有南极同样的空气动力学和化学过程。

但是北极与南极自然环境是不同的，环境的差异使北极上空臭氧被破坏程度也有差别。南、北的两极在环境上的不同概括起来，一是海拔有高低。二是陆地、海洋面积不同。三是一个地方的气温主要是由当地所获取太阳能量多少来决定的。

研究发现，北极地区在每年的一月至二月生成北极涡旋，并发现有北极平流层云的存在。在涡旋内氯基（CIO·）占氯总量的85%以上，同时测到与南极涡旋内浓度相当的是溴基（Bro·）的浓度。但由于北极不存在类似南极的冰川，加上气象条件的差异，北极涡旋的温度远远较南极高，而且北极平流层云量也比南极少得多，因此目前北极的臭氧层破坏程度远小于南极。

北极地区的冬季，一方面无阳光照射，臭氧的产量极少，另一方面，其环极涡旋导致电离层中的离子进入平流层，同样对臭氧层有破坏作用。但是，由于北极上空的离子为净正电荷离子，负电荷离子大大少于南极地区，使平流层总的氧化环境没有遭到彻底破坏，同时北极地区的环极涡旋强度和持续的时间都不及南极，所以北极上空臭氧的损失不如南极厉害，形成的臭氧空洞面积较小，持续的时间也较短。

青藏高原上空臭氧的减少明显不同于南北两极，它出现在日照量最大、紫外线最强的夏季。这是因为日照量的增大和紫外线的增强，使青藏高原上的光合作用和光电效应显著增强，青藏高原是离平流层最近的地球“尖端”，这里的光合作用和光电效应产生的大量电子很容易抵达平流层，从而破坏那里的氧化环境，使臭氧量减少。全球臭氧分布的最低值在热带，最高值在极地附近以及我国。臭氧分布“南低北高”，且“冬季梯度大，夏季梯度小”的总特征与青藏高原臭氧异常低值中心具有类似的起源。青藏高原臭氧每10年减少2．7%，全球减少1%～5%。

臭氧浓度变化的危害及治理

目前全球臭氧层损耗正以每年2%～3%的速度在进行。如果任其发展，在二十一世纪末，平流层臭氧含量将至目前的一半以上，届时，人类将会面临一场空前的浩劫！虽然 现在人类对其严重危害已有认识并且也有行动对策，不会出现这种结果，但是臭氧浓度减少或形成空洞的危害却依然可观存在。

平流层臭氧浓度变化（减小或形成空洞）的危害，第一，对人体健康的影响。紫外线会损伤角膜和眼晶体，如引起白内障、眼球晶体变形等。第二，对生物的影响。臭氧损耗或出现臭氧空洞，UV-B的增加，会对自然生态系统和作物造成直接或间接的影响，农业生产减产，作物质量下降。

第三，对建筑、物品和材料的影响。因平流层臭氧损耗，阳光中UV-B辐射的增加会加速建筑绘画、喷涂、包装、橡胶、塑料及电缆等材料的光降解，尤其是高分子聚合材料的降解和老化、变硬、变脆、变质孙端使用寿命，使油漆褪色等。

第四，影响大气质量和地球化学循环。臭氧耗损和臭氧空洞的发生，导致全球紫外线UV-B辐射增加后，不仅杀死或抑制海洋表层浮游生物的生长，水生生态系统的初级生产力降低，而且影响海洋生物链。

第五，影响温室效应，加剧气候变化。平流层中臭氧浓度减少和全球变暖相互间在CO2和臭氧关系上有复杂的相互反馈的作用，加强了温室效应。

人们针对臭氧层空洞的对策之一是要控制这些耗损臭氧的物质作制冷剂，特别是氯氟烃，从被动方面是限制生产和使用氯氟烃，并制定限期时间表，监督执行，积极行动是研制出无氟的过度代用品。

首先提高氟氯烃的利用率，降低操作损耗。冷媒、喷雾推进剂、发泡剂为现代人们生活的必须品，人们生活不可能没有制冷设备，要一下子淘汰氟氯烃，是比较困难的，现在的措施是一方面逐步淘汰，减少生产和使用；一方面改进现有设备，优化生产流程提高利用率。

作好氯氟烃的回收和循环使用，在生产过程中，由于挥发而损失的，可以通过碳过滤器将它回收50%，CFC-12生产中就可以减少50%的排放。

改进氟氯烃产品，研制和生产非氟氯烃产品的替代品。经科学工作者的努力，目前已找到了使用丁烷、液化石油气和异丙醇等取代氯氟烃作为喷雾推进剂的方法，也发展处HCF-123和HCFC-134a等对臭氧层破坏轻微的化合物，取代CFC-11和CFC-12作为冷媒和发泡剂等用途，减少对臭氧的危害。