绿色学校创建校本培训材料（二）

拯救“地球生命的保护伞”--臭氧层

徐  勇

什么是臭氧

       太阳是一个巨大的热体，表面温度高达6000℃，是地球取之不尽的能量来源。我们都知道，人类肉眼可以看到的“赤橙黄绿青蓝紫”的七彩光是可见光范围的太阳辐射，实际上到达地面的太阳光还有红外线和紫外线等。太阳辐射的紫外光中有一部分能量极高，如果到达地球表面，就可能破坏生物分子的蛋白质和基因物质，即我们所熟知的DNA，造成细胞破坏和死亡。然而，自然的力量改变了这一过程，地球的大气层就像一个过滤器，一把保护伞，将太阳辐射中的有害部分阻挡在大气层之外，使地球成为人类可爱的家园。而完成这一工作的，就是今天已经妇孺皆知的“臭氧层”。

       臭氧与我们熟知的氧气是“亲兄弟”，只是臭氧由三个氧原子构成，而氧气由两个氧原子构成。由于臭氧和氧气之间的平衡，大气中形成了一个较为稳定的臭氧层，这个臭氧层的高度大约在距离地面表面15-25千米处。生成的臭氧对太阳的紫外辐射有很强的吸收作用，有效地阻挡了对地表生物有伤害的紫外线。因此，实际上可以说，臭氧层形成之后，才有了生命在地球上的生存、延续和发展，臭氧层是地表生物系统的“保护伞”。

什么在破坏臭氧层？

       大气平流层中距地面 20-40 公里的范围内有一圈特殊的大气层，这一层大气中臭氧含量特别高。大气平均臭氧含量大约是 0.3ppm，而这里的臭氧含量接近 10ppm，高空大气层中 90% 的臭氧集中在这里，所以叫它臭氧层。

       臭氧层在保护地球方面具有特别的功能：对于太阳光中与生物无害的可见光和 A 段紫外线，将它们大部分吸收，小部分放行，让它们到达地面杀菌消毒，又不至于对人体健康造成危害。所以说臭氧层是保护地球的无缝天衣。

       空调、电冰箱用的制冷剂氯氟烃其商品名叫氟里昂。氯氟烃在低层大气中稳定，游荡 10 年左右的时间进入同温层，直至穿出臭氧层。穿出臭氧层后，在强烈紫外线的作用下，氯氟烃迅速分解，产生氯原子，氯原子极为活泼，专门拆散臭氧分子，使臭氧层逐渐变薄，出现空洞。

       人类已经把1500万吨以上的氯氟烃排放到大气中。进入大气中的氯氟烃，只有一部分参与臭氧层破坏作用，大部分还在大气中游荡，因而，虽然现在很多地方已停止生产和使用氯氟烃，臭氧层仍然会继续遭到破坏。何况，除了氯氟烃外，工业废气、汽车和飞机的尾气、核爆炸产物、氨肥的分解物，其中可能含有氮氧化物、一氧化碳、甲烷等几十种化学物质，都是破坏臭氧层的因素。

臭氧层破坏及其危害

臭氧层破坏是当前全球面临的环境问题之一。自70年代以来就开始受到世界各国的关注。从1995年起，每年的9月16日被定为“国际保护臭氧层日”。
      臭氧（O3）是一种有臭味的气体，常温下为浅蓝色。在大气圈的平流层中，距地面15～35公里的高度上有一个臭氧含量较高的臭氧层，它好像一个巨大的过滤网，可以吸收和滤掉太阳光中有害的紫外线，有效地保护地球生物的生存。1985年，英国科学家首次发现，南极上空在9至10月平均臭氧含量减少50％左右，并周期性出现。北极臭氧层耗损也很明显。
　　臭氧层耗损对人类健康及其生存环境的主要危害是：大量的紫外线直接辐射地面，导致人类皮肤癌、白内障发病率增高，并抑制人体免疫系统功能；农作物受害减产，影响粮食生产和食品供应；破坏海洋生态系统的食物链，导致生态平衡破坏。
　　科学家认为，臭氧减少是由于人类活动向大气中排入氯氟烃（如氟里昂）和含溴卤化烷烃（哈龙）等气体引起的。氟里昂在自然界不会自己产生，而是人类在工业生产过程中制造、扩散出来的。它用于制冷装置的冷冻剂、气溶胶、有机溶剂和泡沫发泡。哈龙用于作灭火剂。目前，我国及世界各国正采取措施，逐步淘汰氟里昂和哈龙等破坏臭氧层的有害物质。
　　一位美国的环境科学家曾预测：人类如果不采取措施，到2075年，全世界将有1.5亿人患皮肤癌，其中有300多万人死亡；将有1800多万人患白内障；农作物将减产7.5%；水产品将减产25％；材料损失将达47亿美元；光化学烟雾的发生率将增加30％。
　　高空臭氧层是保护层，但近地低空中的臭氧却是一种污染物。低层臭氧含量的增加可以引起光化学烟雾，危害森林、作物、建筑物等，臭氧还会直接引起人的机体失调和中毒。

在现代经济中，氟里昂等物质应用非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟里昂等的替代物质和替代技术。在特殊情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。目前，世界上一些氟里昂的主要生产厂家参与开发研究了替代氟里昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC和含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂等，但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟里昂类型的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。

控制臭氧层破坏途径和政策

为了推动氟里昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质，许多国家采取了一系列政策措施。一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚，欧盟国家和一些经济转轨国家广泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费、资助替代物质和技术开发等。美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标志得到了非常广泛的应用。 

为了实施议定书的规定，1990年6月在伦敦召开的议定书缔约国第二次会议上，决定设立多边基金，对发展中国家淘汰有关物质提供资金援助和技术支持。1991年建立了临时多边基金，1994州年转为正式多边基金。到1995年底，多边基金共集资4.5亿美元，在发展中国家共安排了1100多个项目。

到1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，受控物质使用量目前仍处于增长阶段。中国由于经济持续高速增长，家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等产品都大幅度增长，受控物质使用量比1986年增长了一倍以上，成为世界上使用受控物质最多的国家之一。

从各项国际环境条约执行情况而言，这项议定书执行的是最好的。目前，向大气层排放的消耗臭氧屋物质已经逐年减少，从1994年起，对流层中消耗臭氧层物质浓度开始下降。预计到2000年，平流层中消耗臭氧层物质的浓度将达到最大限度，然后开始下降。但是，由于氟利昂相当稳定，可以存在50至100年，即使议定书完全得到履行，臭氧层的耗损也只能在2050年以后才有可能完全复原。另据1998年6月世界气象组织发表的研究报告和联合国环境规划署作出的预测，大约再过20年，人类才能看到臭氧层恢复的最初迹象，只有到21世纪中期臭氧层浓度才能达到本世纪60年代的水平。 

南极臭氧洞

2000年9月3日南极上空的臭氧层空洞面积达到2830平方公里，超出中国面积两倍以上，相当于美国领土面积的3倍。这是迄今观测到的最大的臭氧层洞。图中覆盖在南极上空如同兰色水滴的就是就是卫星观测到的臭氧洞。

南极是一个非常寒冷的地区，终年被冰雪覆盖，四周环绕着海洋。1985 年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：1977-1984年每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，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”，直径达上千公里，“臭氧洞”由此而得名。在过去10-15年间，每到春天南极上空平流层的臭氧都会发生急剧的大规模耗损。极地上空臭氧层的中心地带，近95%的臭氧被破坏。

　臭氧洞的形成原因

　臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积、深度及延续时间。1985年前南极臭氧洞大小和深度，大约以两年为消长周期，1987年10月，南极上空的臭氧浓度下降到了1957-1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。1989-1991年却连续三年发现大规模的臭氧洞。从那以后，臭氧浓度下降的速度还在加快，有时甚至减少到只剩30%，臭氧洞的面积也在不断扩大。根据日本气象厅公布的资料显示，从1982-1991的10年期间，南极臭氧洞的面积扩大了10倍，深度增加了2倍，被破坏的臭氧量估计为过去的4.3倍。1994年10月观测到臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。近年臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展，1995年观测到的臭氧洞的天数是77天，到1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏，臭氧洞发生天数增加到80天。

　　1997年至今，科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前，1998年臭氧洞的持续时间超过100天，是南极臭氧洞发现以来的最长记录，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%，9月19日出现的最大面积为2720万平方公里。几乎可以相当三个澳大利亚的面积。总之，20世纪90年代中期以来，每年春季南极上空臭氧平均减少2/3。

其实，早在70年代初许多科学家就已经认识到超音速飞机充斥天空，它们排放出来的氮氧化物和水汽会污染高空大气，产生有害影响。实验室研究也证明这两种气体都能破坏臭氧分子，即把臭氧分子变为普通氧分子。德国气象学家保罗·克鲁森是指出自然界中氮氧化物可能破坏臭氧层的第一人。 

到了1974年美国的舍伍德·罗兰德和马里奥·莫利纳研究证明，人类制造的氯氟烃才是破坏地球大气臭氧层的主要罪魁祸首。正是由于他们的科学预言，提醒了世人，使得后来缔结了限制和停止生产氯氟烃类化合物的国际协定。因此他们三位共同获得了1995年度的诺贝尔化学奖。 

氯氟烃是本世纪30年代由美国杜邦公司发明的一族人造化学制品。它们性能稳定，不燃烧，无毒，无腐蚀性，价格又便宜，因此在许多工业生产中广泛用作发泡、致冷、喷雾、杀虫、灭火、清洗、消毒和有机溶剂。世界年产量由30年代初的3000吨迅速上升到1989年的160万吨。不过，正是由于它们性质稳定，它的气体状态在大气中可以存在100年甚至更长。这样日积月累，对大气臭氧层的破坏也就越来越严重。 

氯氟烃破坏高空臭氧层的具体过程是，它在高空强烈紫外线照射下，氯原子被光解释放出来。自由的氯原子从臭氧分子中夺取一个氧原子。臭氧分子失去一个氧原子后变成一个普通氧分子。而一氧化氯分子是很不稳定的，空中游离的氧原子可以从一氧化氯分子中夺取氧原子而变成普通氧分子。而同时氯原子又再次游离出来，去重复上述过程，破坏第二个臭氧分子。这种过程可以重复上万次。这就是问题严重性所在。早在1974年科学家就曾预言，如果氯氟烃生产仍以每年22％的速度增加，并最终完全释放到大气中，那么到1995年全球臭氧总量将下降5％。后来的卫星和地面观测资料都证实了这个预言。为了研究臭氧洞的成因，国际上在1987年（因为这年的臭氧洞比前些年都大）组织了一个大规模的研究计划--南极臭氧空中实验。飞机曾多次进入臭氧洞内，发现臭氧洞内氯的含量比预期数量还要高出20-50倍之多。这个事实为氯氟烃破坏臭氧层的理论提供了直接依据。

那么为什么臭氧洞只出现在南极，或者说为什么南极的臭氧量下降得特别多呢？ 

　　原来，在冬季半年里，南极上空有一个深厚的涡旋，气流沿着南极高原作顺时针旋转，把南极大陆封闭起来。从赤道来的富含臭氧的气流进不了南极上空。而在旋涡中上升的空气，因为上升过程中气温下降的速度要比实际大气中温度随高度分布的速度快得多。加上南极高原本来就海拔高气温低，因而形成极低的低温环境。臭氧层所在的20公里高度上气温常常在－80℃以下（比北极要低得多）。南极大气涡旋中的空气上升过程中还会生成大量的冰晶云，云中的冰晶不断吸收氯氟烃气体，浓度越来越高。一旦南极春季（9月）来临，极夜结束，阳光照射下冰晶云升温，氯氟烃气体迅速释放。而氯氟烃分子在紫外线照射下开始释放氯原子……上面讲过的臭氧层受到破坏的过程立即开始，臭氧层因大量损耗臭氧而出现臭氧洞。一旦春末南极旋涡残缺或破坏消失，大量富含臭氧的赤道南下的新鲜空气进入南极上空，臭氧洞于是便又匆匆消失