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環境知識
 

全球大氣環境問題(三)臭氧層破壞和防治對策

臭氧層損耗是當前又一個人們普遍關注的全球性大氣環境問題,因為它同樣直接關系到生物圈的安危與人類的生存,需要全世界共同采取行動。

  1、臭氧層變化與臭氧洞

  臭氧(O3)是氧的同素異形體,在大氣中含量很少,但其濃度變化都會對人類健康和氣候帶來很大的影響。

  臭氧存在于地面以上至少10km高度的地球大氣層中,其濃度隨海拔高度而異。

  平流層中的臭氧吸收掉太陽放射出的大量對人類、動物及植物有害波長的紫外線輻射(240-329納米,稱為UV-B波長),為地球提供了一個防止紫外輻射有害效應的屏障。但另一方面,臭氧遍布整個對流層,卻起著溫室氣體的不利作用。

  在平流層中臭氧耗損,主要是通過動態遷移到對流層,在那里得到大部分具有活性催化作用的基質和載體分子,從而發生化學反應而被消耗掉。臭氧主要是與HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活潑自由基發生同族氣相反應。

  1985年,英國科學家法爾曼(Farmen)等人首先提出,“南極臭氧洞”的問題。他們根據南極[[right]][[image1]][[/right]]哈雷灣觀測站(Halley Bay)的觀測結果,發現從1957年以來,每年早春(南極10月份)南極臭氧濃度都會發生大規模的耗損,極地上空臭氧層的中心地帶,臭氧層濃度已極其稀薄,與周圍相比像是形成了一個“洞”,直徑達上千公里,“臭氧洞”就是因此而得名的。這一發現得到了許多其他國家的南極科學站觀測結果的證實。衛星觀測結果表明,臭氧洞在不斷擴大,至1998年臭氧洞的覆蓋面積已相當于三個澳大利亞。而且,南極臭氧洞持續的時間也在加長。這一切跡象表明,南極臭氧洞的損耗狀況仍在惡化之中。

  臭氧層的損耗不只發生在南極,在北極上空和其它中緯度地區也都出現了不同程度的臭氧層損耗現象。只是與南極的臭氧破壞相比,北極的臭氧損耗程度要輕得多,而且持續時間相對較短。我國的科學工作者(中國氣象科學院的周秀驥)也報道了在我國的青藏高原存在一個臭氧低值中心。中心出現于每年6月,中心區臭氧總濃度年遞減率達0.345%,這在北半球是非常異常的現象。

  2、臭氧層破壞的原因

  對于臭氧層破壞的原因,科學家們有多種見解。有的認為,這可能跟亞馬遜河地區不斷出現的森林火災有關;有的認為,臭氧洞之所以出現在兩極,是極地低溫造成的,美國肯塔基大學的一個科學小組則認為,臭氧水平可能是隨著太陽黑子活動的自然周期而變化的。但是,多數科學家則認為,人類過多使用氟氯烴(CFCS)類物質是臭氧層破壞的一個主要原因。

  CFCS的形式決定了它們對臭氧層的危害程度。含H的CFCS比不含H的降解得快,對平流層臭氧威脅較小,而像C2H4F2(CFC152a)類不含氯溴的CFCS則對平流層臭氧威脅更小,甚至不構成威脅。

  BrOX和ClOX破壞臭氧的機理:能產生這兩種自由基的化合物,主要是氟利昂和哈龍。氟利昂是含氟、氯飽和烴的總稱。氟利昂應用廣泛,主要用于制冷劑、氣霧劑、發泡劑和清潔劑等。破壞臭氧的機理主要是氟利昂進入平流層后,在紫外照射下分解出Cl原子基,Cl再與O3發生鏈反應。

  哈龍是一類含溴鹵代甲、乙烷的商品名,主要用作滅火劑,破壞臭氧的機理與氟利昂相似,研究表明,進入平流層的哈龍比氟利昂更危險。

  3、臭氧層的變化對人類的影響

  由于臭氧層被破壞,照射到地面的紫外線B段輻射(UV-B)將增強,預計UV-B 輻照水平的增加不僅會影響人類,而且對植物、野生生物和水生生物也會有影響。

   1) 對人類健康的影響

  臭氧層破壞后,人們直接暴露于UV-B輻射中的機會增加了。UV-B輻射會損壞人的免疫系統,使患呼吸道系統的傳染病人增多;受到過多的UV-B輻射,還會增加皮膚癌和白內障的發病率。全世界每年大約有10萬死于皮膚癌,大多數病例與UV-B有關。據估計平流層臭氧每損耗1%,皮膚癌的發病率約增加2%??偟膩碚f,在長期受太陽照射的地區的淺色皮膚人群中,50%以上的皮膚病是陽光誘發的,即膚色淺的人比其他種族的人更容易患各種由陽光誘發的皮膚癌。此外,紫外線照射還會使皮膚過早老化。

   2) 對植物的影響

  一般說來,UV輻射使植物葉片變小,因而減少俘獲陽光進行光合作用的有效面積。有時植物的種子質量也受到影響。各種植物對UV輻射的反應不同。對大豆的初步研究表明,UV輻射會使其更易受雜草和病蟲害的損害。臭氧層厚度減少25%,可使大豆減產20~25%。

   3) 對水生系統的影響

  UV-B的增加,對水生系統也有潛在的危險。水生植物大多數貼近水面生長,這些處于水生食物鏈最底部的小型浮游植物最易受到平流層損耗的影響,而危及整個生態系統。研究表明,UV-B輻射的增加會直接導致浮游植物、浮游動物、幼體魚類、幼體蝦類、幼體螃蟹以及其它水生食物鏈中重要生物的破壞。研究人員已發現臭氧洞與浮游植物繁殖速度下降12%有直接關系,而美國能源與環境研究所的報告表明,臭氧層厚度減少25%導致水面附近的初級生物產量降低35%,光亮帶(生產力最高的海洋帶)減少10%。

   4) 對其它方面的影響

   有研究指出,UV-B增加會使一些市區的煙霧加劇。一個模擬實驗發現,在同溫層臭氧減少33%,溫度升高4℃時,費城及納什維爾的光化學煙霧將增加30%或更多。

   另一種經濟上很重要的影響是,臭氧耗竭會使塑料惡化、油漆退色、玻璃變黃、車頂脆裂。

  4、保護臭氧層的對策

   我們已經知道,氟氯烴類物質造成臭氧層的破壞最大,因此,了解其使用與排放情況,找到解決問題的對策,達成國際協議的基礎,盡快停止使用CFCS。

   CFCS主要用于氣溶膠噴霧劑,如制冷劑、發泡劑和溶劑等。當今世界上,從冷凍機、冰箱、汽車到硬質薄膜、軟墊家具,以及從計算機芯片到滅火器,都離不開CFCS。CFCS的產量在世界各地極不相同,主要使用量集中在美國及西方工業化國家。

  1) 逐步禁止生產和使用破壞臭氧層的物質,從而保護臭氧層免遭破壞。既然破壞臭氧層的物質均為人造化學品,那么完全禁止生產和應用這些物質是可能的,但是,由于氟里昂在工農業生產上的重要地位,立即禁止生產和使用是有難度的,因此,國際上采用的辦法是逐步禁止生產和使用這些破壞臭氧層的物質。

  因此有了著名的《保護臭氧層維也納公約》和《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》及《蒙特利爾議定書(修正案)》。我國也在1989年9月加入《維也納公約》。

   2) 全球合作

   為了使發展中國家的締約國能夠實施控制措施,締約國應盡力向發展中國家提供情報及培訓機會,并尋求發展適當資金機制,促進以最低價格向發展中國家轉讓技術和替換設備。

   3) 研究開發破壞臭氧層物質的替代物。由于破壞臭氧層的物質在工農業生產中占有相當重要的地位,限用和禁用上述物質就必須研究開發相應的替代物。因為破壞臭氧層的物質主要為氟里昂,所以,尋找氟里昂的替代物是研究的重點?,F在比較常用的有:氫氟烴HFC,氫氟烴中不含氯,不破壞臭氧層,在大氣中的降解產物毒性較低,是較理想的替代物。但溫室效應較重,而且有些替代品有生產成本高,熱交換性能差、易燃的缺點等。氫氯氟烴HClF,氫氯氟烴的臭氧層破壞系數低,亦可作為氟里昂的過渡替代物,可用作聚氨酯和絕緣材料的發泡劑。其它替代物,有氟碘烴FI,其中的C—I鍵很容易吸收紫外線發生斷裂,不會滯留在大氣層,是很有發展前途的氟里昂替代物。氟代乙醇、氟代醚、二甲醚、氨、飽和烴作為氟里昂的替代物均有研究和應用。氦、空氣、水、二氧化碳及氮等許多天然物質在低溫和制冷行業早有應用,應該也是比較理想的替代物。

  我國上海、青島已開發出無氟冰箱。日本通產省技術研究院現已開發出新一代氟里昂,其分子式為C4H5F7O或C3H3F5O,它既不破壞臭氧層,也不產生溫室效應。
 
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