臭氧層的破壞
一噪服、臭氧層破壞的原理
1.臭氧層破壞的原理
在平流層中，一部分氧氣分子可以吸收小于240um波長的太陽光中的紫外線倚聚，? 并分解形成氧原子。這些氧原子與氧分子相結合生成臭氧啡氢，生成的臭氧可以吸收太陽光而被分解掉状囱，也可與氧原子相結合术裸，再度變成氧分子，形成了臭氧的動態(tài)平衡亭枷。
人類生產和使用大量CFCs受到短波紫外UV-C的照射袭艺，分解出C1·自由基。C1·自由基可以從臭氧分子中奪取一個氧原子叨粘，使03變成普通的氧分子;形成的一個氧化氯很不穩(wěn)定猾编，與另一個氧原子結合，使C1·自由基再次游離出來升敲，又可以重復上述反應答倡。
反應過程中釋放的CI ·自由基可以在平流層中存在好幾年，因此一個C1·自由基能夠消耗10萬個臭氧分子就不足為怪了驴党。
一般情況下CFCs放出一個氯離子瘪撇，但是剩下的基因可以通過與氧氣等的后續(xù)反應，使CFCs中的全部氯都以破壞臭氧層的活動形態(tài)放出。
僅僅根據氣相反應理論倔既，臭氧減少的最明顯的高度應在40km附近恕曲。但是實際上臭氧減少趨勢最大的高度是20km附近，而20km附近正是臭氧濃度最高的區(qū)域渤涌，這一事實進一步說明了臭氧層破壞的嚴重性佩谣。
這種氣相反應經典理論，與實際臭氧層破壞狀況不一致的原因現(xiàn)已找到实蓬。這是由于破壞臭氧的反應通常是在顆粒狀氣溶膠表面進行茸俭，即非相反應所造成的。正是非均相反應極大地破壞臭氧層才造成地極“臭氧空洞”瞳秽。
2.南極臭氧空洞形成原理
自從發(fā)現(xiàn)在南極上空有在臭氧空洞以后瓣履，為了查實和弄清臭氧層耗減及臭氧空洞形成的原因，美國宇航局(NASA)牽頭組織了數十個科學家于1986年和1987年的9~11月练俐，兩次赴南極進行臭氧探險活動袖迎，尋求揭示臭氧空洞形成的機理。在第二次探險中獲得了有效的探測結果腺晾，由此推理出臭氧空洞形成的機理燕锥。
人類所排放的CFCs主要在北半球，其中歐洲悯蝉、俄羅斯归形、日本和北美洲約占總排放量的90%。
這種不溶了水和不活潑的CFCs前1~2年內在整個大氣層下部并與大氣混合鼻由。這種含有CFCs 的大氣從底部向上升騰暇榴，一直到達赤道附近的平流層。 然后分別流向兩極蕉世，這樣經過整個平流層的空氣幾乎都含有相同濃度的CFCs蔼紧。
然而由于地球表面的巨人差異，兩極地區(qū)的氣象狀況是完全不同的狠轻。南極是一個非常廣闊的陸地板塊南極洲)奸例，周圍又完全被海洋所包圍，這種白然條件下產生了非常低的平流層溫度向楼。在南極黑暗陸冷的冬季(6 ~9月）查吊，下沉的空氣在南極洲的山地受阻，停止壞流而就地旋轉湖蜕，吸入周圍的冷空氣逻卖，形成“極地風暴旋渦”。
這股“旋渦”上升到20km高空的臭氧層昭抒，由于這里溫度非常低评也，形成了滯留的“冰云”虚茶。“冰云”中的冰晶微粒把空氣中帶來的CFCs和哈龍吸收在其表面仇参，并不斷積聚其中嘹叫。當南極的春季來臨(9月下旬)，陽光照向“冰云”時诈乒，冰品落化罩扇，釋放出吸附的CFCs和哈龍。它們受到紫外線UV-C照射怕磨，分解出CI·和Br·并與臭氧反應生成CIO·和BrO·消耗臭氧喂饥。由于冰晶的吸附作用，積累的CFCs和哈龍在一段時間內集中分解出CI·和Br·再加上形成冰晶會發(fā)生各種各樣的化學變化肠鲫，促成了每年9~11月臭氧快速耗減员帮，在特定高度臭氧幾乎完全消失，導致臭氧空洞形成导饲。
隨著夏季的到來捞高，南極臭氧層得到逐漸恢復，然而臭氧減少的空氣可以傳輸到南半球的中緯度渣锦，造成全球規(guī)模的臭氧減少硝岗。
3.北極地區(qū)臭氧層破壞的原理
南極能夠形成臭氧空洞，人們自然會聯(lián)想到北極也可能發(fā)生臭氧空洞袋毙。根據這推斷型檀，1989年初，來自幾個國家的200個科學家又聚集到北極進行考察探測听盖。他們發(fā)現(xiàn)北極的春天胀溺，臭氧層中的CIO濃度升高和臭氧濃度降低，兩者之間有著顯著的對應關系皆看。只是北極沒有極地大陸和高山仓坞，僅有一片海洋冰帽，形不成大范圍強烈的“極地風暴”悬蔽，所以不易生成像南極一樣大的“臭氧空洞”扯躺。但是由于北極也有通過非均相反應破壞臭氧層的典型物質捉兴，因此在“極地風暴”可以生成的年份里蝎困，北極也可能發(fā)生大規(guī)模的臭氧層破壞，近幾年北極出現(xiàn)的“臭氧空洞”便足以說明問題倍啥。對于北極臭氧層耗減的日益嚴重禾乘，已經變得十分引人注目。
4.中緯度臭氧減少的原理
在南半球虽缕，由于極地風暴的消失始藕，南極“臭氧空洞”臭氧濃度很低的氣團可以向中緯度擴散，從而稀釋了中緯度臭氧使其濃度下降，人們認為這種稀釋效應具有十分重要的作用伍派。
北半球中緯度臭氧減少機理尚不十分清楚江耀，一般認為有如下兩種可能:
(1)雖然北極地區(qū)極地風暴不穩(wěn)定，仍可短時間形成一些“冰云”诉植，并發(fā)生一系列非均相反應祥国，破壞臭氧，減少了臭氧的空氣可向中緯度擴散傳輸晾腔，或者CIO·等破壞臭氧的物質傳輸到中緯度舌稀，加速了臭氧破壞。
(2)在中緯度平流層中存在的硫酸鹽氣溶膠灼擂，其表面上發(fā)生一系列非均相反應壁查，加速了臭氧破壞。
二剔应、臭氧層破壞產生的危害
臭氧層耗減對全球環(huán)境造成的影響睡腿，只能是從最近10多年的環(huán)境情況與10多年前或更最年代的情況相比，發(fā)現(xiàn)了某些特異的變化峻贮，就目前情況而言嫉到，還不能認為已經產生了明顯的嚴重后果。
臭氧層的耗減產生的直接就是使太陽光中的中波紫外線UV-B達到地面的數量增加月洛。臭氧層耗減和UV-B輻射量之間的關系見圖1-8何恶。通常認為臭氧濃度降低1%，UV-B 輻射量增加1.5~ 2%嚼黔。
紫外線UV-B能破壞蛋白質的化學鍵细层，殺死微生物，破壞動植物的個體細胞唬涧，損害其中的脫氧核糖核酸(DNA)疫赎，引起傳遞遺傳特性的因子變化，發(fā)生生物的變態(tài)反應碎节。
1.對人類健康的影響
適量的紫外線照射對人體的健康是有益的捧搞，它能增強交感腎上腺機能，提高免疫能力狮荔，促進磷鈣代謝胎撇，增強人體對環(huán)境污染物的抵抗力。但是長期反復照射過量紫外線將引起細胞內的DNA改變殖氏，細胞的自身修復能力減弱晚树，免疫機能減退，皮膚發(fā)生彈性組織變性雅采、角質化以至皮膚癌變爵憎，誘發(fā)眼球晶體發(fā)生白內障等慨亲。
對免疫系統(tǒng)的影響:中波紫外線UV-B的照射，對人體有許多影響宝鼓。有的是積極的影響刑棵，適量的UV-B是維持人類生命所必需的。但是長期接受過量紫外線輻射愚铡，將引起細胞內DNA改變铐望，細胞的自身修復能力減弱，免疫機制減退茂附。由于紫外線輻射的增加正蛙，大量疾病的發(fā)病率及嚴重程度都會大大增加。這些疾病包括麻疹营曼、水痘乒验、瘡疹和其它引起皮疹的病毒性疾病，通過皮膚傳染的寄生蟲病(如瘧疾和利什曼病)蒂阱、細菌感染(如肺結核和麻瘋病)和真菌感染等锻全。
人體免疫系統(tǒng)中的一部分存在于皮膚內，使得免疫系統(tǒng)可直接接觸紫外線照射录煤。動物試驗發(fā)現(xiàn)紫外線照射會減少人體對皮膚癌鳄厌、傳染病及其他抗原體的免疫反應，進而導致對重復的外界刺激喪失免疫反應妈踊。人體研究結果也表明暴露于紫外線B中會抑制免疫反應了嚎，人體中這些對傳染性疾病的免疫反應的重要性目前還不十分清楚。但在世界上一些傳染病對人體健康影響較大的地區(qū)以及免疫功能不完善的人群中廊营，增加UV-B輻射對免疫反應的抑制影響相當大歪泳。
白內障:白內障是形成在眼球晶體上的一層霧斑(晶狀體渾濁)。實驗證明紫外線能損傷角膜和眼晶體露筒，可引起白內障呐伞、眼球晶體變形等。據分析慎式，平流層臭氧減少1%伶氢，全球白內障的發(fā)病率將增加0.6~0.8%，全世界由于白內障而引起失明的人數將增加10000~15000人;如果不對紫外線的增加采取措施瘪吏，從現(xiàn)在到2075年癣防，UV-B 輻射的增加將導致大約1，800萬白內障病例的發(fā)生肪虎。
皮膚癌:紫外線UV-B輻射的增加劣砍，直接導致人類尘逵迹患的三種皮膚癌扇救。前兩種是Basal和鱗狀皮膚癌刑枝，這種非惡性癌每年在美國大約有50萬患者，如果發(fā)現(xiàn)及時迅腔，這種病可以治愈装畅，因此很少有人死于此病。美國環(huán)境保護局估計臭氧每減少10%沧烈，這兩種皮膚癌的發(fā)病率就提高26%掠兄。惡性黑瘤比較少見，它與紫外線輻射有關锌雀，其機理知之甚少蚂夕。每年大約有25000 人患此病。這種病比較危險腋逆，每年大約有5000 人死于此病婿牍。
每個細胞里的遺傳物質(脫氧核糖核酸）都對紫外線很敏感，脫氧核糖核酸的損傷會殺死細胞或將其變成癌細胞惩歉。白色皮膚的人對太陽光缺乏自然保護等脂，他們更容易患皮膚癌。據計算撑蚌，臭氧每減少1%上遥，非黑色素瘤皮膚癌就增加3%。按美國當今人口計算争涌，良性黑色素瘤的病例將增加45萬例粉楚，惡性黑色素瘤的病例將增加1000 例。未來數代受害將更加嚴重亮垫。在靠近南極的澳大利亞解幼，皮膚癌發(fā)病率增加了3倍，近年來在那里也一直在討論有關“臭氧警告”的問題包警。
為了防止紫外線對人體皮膚和眼睛造成損害撵摆，應避免強烈地日曬，戶外活動和工作應穿著長衣長褲害晦，或使用防止紫外線的防曬油涂抹身體裸露部分特铝。為避免角膜炎和白內障，應佩戴能過濾紫外線的眼鏡壹瘟。
2.對陸生植物的影響
臭氧層耗減鲫剿，對植物和動物生長的影響，人們了解還不很多稻轨，較之對人體的影響了解更少灵莲。己做過的一些研究也尚難做出合理的解釋。臭氧耗減對農作物的危害做定量預測殴俱，也由于其它環(huán)境因素的參與變得十分困難政冻。但綜合考察還是給我們啟示了未來可能的影響枚抵。
對某些農作物的研究表明，紫外線UV-B輻射增加會引起某些植物物種和化學組成發(fā)生變化明场，影響農作物在光合作用中捕獲光能的能力汽摹，造成植物獲取的營養(yǎng)成分減少，生長速度減慢苦锨。研究過的植物中逼泣，紫外線對其中的50%有不良影響，尤其是像豆類舟舒、瓜類拉庶、卷心菜一類的植物更是如此。西紅柿秃励、土豆砍的、甜菜、大豆等農作物莺治，由于紫外線UV-B輻射的增加廓鞠，還會改變細胞內的遺傳基因和再生能力，使它們的質量下降谣旁。一項研究表明床佳，如果臭氧減少25%，則大豆的產量會下降20~25%榄审，大豆的蛋白質含量和含油量也會降低砌们。
紫外線輻射的增加對林業(yè)也有影響。通過對10個種類的針葉樹幼苗進行研究搁进，結果表明其中3個品種受紫外線UV-B輻射的影響而產生不良后果浪感，其所受影響的程度也與預測方案相吻合。
植物的生理和進化過程都受到UV-B輻射的影響饼问，并與UV-B輻射的量有關影兽。植物也具有一些緩和和修補這些影響的機制，在一定程度上可以適應UV-B輻射的變化莱革。不管怎樣峻堰，植物的生長直接受UV-B輻射的影響，不同種類的植物盅视，甚至同一種不同栽培品種的植物對UV-B的反應都是不一樣的捐名。在農業(yè)生產中，就需要種植耐受UV-B輻射的品種闹击，并同時培養(yǎng)新品種镶蹋。對森林和草地，可能會改變物種的組成，進而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布贺归。
UV-B輻射帶來的間接影響淆两，例如植物形態(tài)的改變，植物各部位生物質的分配牧氮，各發(fā)育階段的時間及二級新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大琼腔，甚至更為嚴重瑰枫。這些對植物的競爭平衡踱葛、食草動物、植物致病菌和生物地球化學循環(huán)等都有潛在影響光坝。目前尸诽，這方面的研究工作尚處起步階段。
3.對水生生物的影響
世界上30%以上的動物蛋白質來自海洋盯另，因此很有必要知道紫外線輻射增加后對水生生態(tài)系統(tǒng)生產力的影響性含。
此外，海洋在與全球變暖有關的問題中也具有十分重要的作用鸳惯。海洋浮游植物的吸收是大氣中CO2的一個重要的消除途徑商蕴，它們對未來大氣中CO2濃度的變化趨勢起著決定性的作用。海洋對C02氣體的吸收能力降低芝发，將導致溫室效應加劇绪商。
海洋浮游植物并非均分布在世界各大洋中，通常高緯度地區(qū)的密度較大辅鲸，熱帶和亞熱帶地區(qū)的密度要低10~ 100倍格郁。除可獲取的營養(yǎng)物、溫度独悴、鹽度和光外例书，在熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍存在的陽光UV-B的含量過高的現(xiàn)象也在浮游植物的分布中起著重要作用。
浮游植物的生長局限在光照區(qū)刻炒，即水體表層有足夠光照的區(qū)域决采，生物在光照區(qū)的分布地點受到風力和波浪等作用的影響。另外坟奥，許多浮游植物也能夠自由運動以提高生產力保證其生存织狐。暴露于陽光UV-B下會影響浮游植物的定向分布和移動，因而降低了這些生物的存活率筏勒。
研究人員測定了南極地區(qū)UV-B輻射及其穿透水體的量的增加移迫，證據證實天然浮游植物群落與臭氧的變化直接相關。對臭氧空洞范圍內和臭氧空洞以外地區(qū)的浮游植物進行比較的結果表明管行，浮游植物生產力下降與臭氧減少造成的UV-B輻射增加直接有關厨埋。一項研究表明，在冰川邊緣地區(qū)的生產力下降了6~ 12%捐顷。由于浮游生物是海洋食物鏈的基礎荡陷，浮游生物種類和數量的減少還會影響魚類和貝類生物的產量雨效。另一項科學研究的結果顯示，如果平流層臭氧減少了25%废赞，浮游生物的初級生產力將下降10%徽龟，這將導致水面附近的生物減少35%襟齿。
研究發(fā)現(xiàn)陽光中的UV-B輻射對魚疼阔、蝦、蟹艾杏、兩棲動物和其它動物的早期發(fā)育階段都有危害作用耘沼，最嚴重的影響是繁殖力下降和幼體發(fā)育不全极颓。即使在現(xiàn)有的水平下，浮游植物和動物也已經受到了紫外線的損害群嗤。紫外線B的照射量很少量的增加就會導致海洋生物的顯著減少菠隆。
盡管已有確鑿的證據證明UV-B輻射的增加對水生生態(tài)系統(tǒng)是有害的，但目前還只能對其潛在危害進行粗略的估計狂秘。
4.對城市環(huán)境和建筑材料的影響
(1)使城市環(huán)境惡化
過量的紫外線除了直接危害人類和生物機體外骇径，還會使城市環(huán)境惡化，進而損害人體健康者春，影響植物生長和造成經濟損失破衔。城市工業(yè)在燃燒礦物燃料時排放的氧化氮，與某些工業(yè)和汽車所排放的揮發(fā)性有機物碧查，同時在紫外線照射下會更快地發(fā)生光氧化反應运敢，生成臭氧、過氧化烯烷基硝酸酯等產物忠售，從而造成城市內近地面大氣的臭氧濃度增高传惠，引起光化學煙霧污染。
近地面臭氧濃度過高稻扬，吸入人體會導致肺功能減弱和組織損傷卦方，引起咳嗽、鼻咽刺激泰佳、呼吸短促和胸悶不適等盼砍。
近地面的臭氧和過氧化烯烷基硝酸酯能損害植物葉片，抑制光合作用逝她，使農作物減產浇坐，森林或樹木枯萎壞死，其危害甚至比酸雨還大黔宛。
近地面臭氧濃度增高近刘，還使聚合物材料加速老化。
據美國環(huán)保局估計，當臭氧耗減25%時觉渴，城市光化學煙霧的發(fā)生幾率將增加30%介劫，聚合物材料等老化的經濟損失將高達47億美元。
(2)對建筑材料的破壞
因平流層臭氧損耗導致陽光紫外線輻射的增加會加速建筑案淋、噴涂座韵、包裝及電線電纜等所用材料，尤其是聚合物材料的降解和老化變質踢京。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區(qū)誉碴，這種破壞作用更為嚴重。由于這一破壞作用造成的損失估計全球每年達到數十億美元漱挚。
無論是人工聚合物翔烁，還是天然聚合物以及其它材料都會受到不良影響渺氧。當這些材料尤其是塑料用于一些不得不承受日光照射的場所時旨涝，只能靠加入光穩(wěn)定劑和抗氧劑或進行表面處理以保護其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會加速這些材料的光降解侣背，從而限制了它們的使用壽命白华。研究結果已證實中波UV-B輻射對材料的變色和機械完整性的損失有直接的影響。
在聚合物的組成中增加現(xiàn)有光穩(wěn)定劑和抗氧劑的用量可能緩解上述影響贩耐，但需要滿足下面三個條件:
①在陽光的照射光譜發(fā)生了變化即UV-B輻射增加后弧腥，該光穩(wěn)定劑和抗氧劑仍然有效。
②該光穩(wěn)定劑和抗氧劑自身不會隨著UV-B輻射的增加被分解掉;
③經濟可行潮太。目前管搪，利用光穩(wěn)定性和抗氧性更好的塑料或其它材料替代現(xiàn)有材料是一個正在研究中的問題。
我國科學家普遍認為臭氧層耗減是客觀存在的現(xiàn)象铡买，對于CFCs和哈龍引起臭氧層耗減的看法也基本認同更鲁，但要準確估計臭氧層耗減對人類和生態(tài)環(huán)境的危害程度，還要做大量的實驗研究工作才能確定奇钞。
