认识臭氧层危机
时间:2009-09-15 22:46:52 来源:牛顿杂志 作者: 点击：
虽然臭氧洞出现得地方是在遥远的南极,但其实世界各地大气中的臭氧都已日渐稀薄.从皮肤癌到汽车冷媒,臭氧洞不再只是科学家的研究对象,或是报纸上的新闻事件,而是与每个人都有切身关系的环保课题!
大气臭氧量少作用大
我们所居住的地球周围.环绕著一层大气.这层大气的主要成分是氮和氧,约占99%以上.此外,还有少量的氩,二氧化碳,水汽和臭氧(O3)等等.虽然大气中二氧化碳,水汽和臭氧含量很少,但对整个地球气候的变化却影响很大.
包围地球的大气,其特性会随高度不同而有许多变化,科学家便依照气温梯度,来划分大气的垂直结构.最接近地表的是「对流层」,其次为「平流层」,「中气层」和「热气层」.热气层是大气的最外圈,大气愈向外愈稀薄,并没有一条明显的界限.由於大气是受地球重力吸引而环绕在地球四周,因此离地表越近,空气密度越高,大约90%的空气都聚集在离地表30公里的范围之内;到了离地100公里处,大气密度已不及海平面的百万分之一,故若与地球半径约6370公里相比,大气的确只有薄薄一层而已.
平流层的位置大约在离地10~50公里处,但大气中的臭氧绝大部分都集中在离地面大约25~30公里的上平流层中,称为「臭氧层」.名虽为一层,但实际上臭氧分布各地并不均匀,而且大气中臭氧的总含量非常少,尚不到1ppm.这极薄的一层臭氧,对於地球上的生命非常常重要,因为臭氧能吸收阳光中的紫外线,将这些波长很短,而且有致命危险的辐射线,转换成热能,只有极少量能到达地表.紫外线会破坏包括DNA在内的生物分子,增加罹患皮肤癌,白内障的机率,而且和许多免疫系统疾病有关.此外,紫外线对於农作物,甚至海洋生态系都会造成负面影响.然而这层重要的臭氧已经受到严重破坏,而且清形一年比一年恶化.
全球臭氧普遍减少
科学家大约在10年前,就已实际观测到臭气层的「破洞」.西元1985年,英国南极观测站(British Antarctic Survey)的科学法曼(Joseph C. Farman)等人发现,从1977~1984年,南极郝利湾(Halley Bay)上空,春季时的大气臭氧含量大约减少了40%以上.其他研究团体也迅速证实了这项发现,并指出臭氧量急遽减少的这块区域,其面积甚至大於南极大陆,高度则是介於12~24公里之间的平流层.这就是所谓的「臭氧洞」(ozone hole).
臭气洞其实并不是真正有个「洞」,而只是表示臭氧含量反常稀少的区域.虽然科学已经知道CFCs(chloroflurocaaarbons,氟氯碳化物)是造成臭氧洞的主要原因,但是由於南极地区特殊的气候型态,使科学家相信,南极臭氧洞应是平流层化学反应与大气环流变化等多种因素交互作用下的结果.
然而,不仅是南极,北极上空平流层的臭氧,也发现有在冬季减少,形成类似臭氧洞的现象.尤有甚者,根据世界各地地面站和人造卫星的观测结果,长期以来,全球除热带地区之外的大部分区域,平流层臭氧都有稀薄化的倾向.
南极和北极地区人烟稀少,臭氧洞对人类所造成的影响尚不明显,但如果臭氧减少的范围扩及全球,则包括东北亚,欧洲和北美洲等人口密集的地球,有害紫外线就会大量增加,对人类的为害亦将相应扩大.目前澳洲和加拿大等国都已采取具体因应措施,如发布警报以提醒居民不要在阳光下过度曝晒等. 字串3
南极臭氧连创新低
科学家在调查大气臭氧含量时,通常使用如「陶伯逊分光光度计」(Dobson spectrophotometer)等仪器在地面进行测量,或是利用高空汽球,飞机和人造卫星等,直接在大气层中观测,再比较分析测得各不同波长辐的量,以了解臭氧的消长情形.例如1987年9月,来自19个国际组织的150位科学家,在南美智利南端的奔德亚利拿(Punta Arenas),就进行过一项整合地面,卫星,高空汔球以及科学观测机ER-2的大型臭氧测量实验.
长期以来的观测纪录显示,从1991年开始,南极上的臭氧含量每年都创下新的最低纪录.1991年9月30日为162D.U.,11月8日为191D.U.,每个月都是历年来的最低值.
D.U.(Dobson Unit)是代表大气单位面积中臭氧含量的单位,以m atm-cm(milli atm-centimeter)表示.在o℃,1大气压标准状态下,1D.U.相当於百分之一公厘.
1985年以前,南极臭氧洞的大小和深度,大约以2年为消长周期.但从1989~1991年,却连续3年观测到大规模的臭氧洞.根据日本气象厅发布的资料显示,从1982~1991的10年间,南极臭氧洞的面积扩大了10倍,深度增加了2倍,被破坏的臭氧量则估计为过去的4.3倍.而且自1990年之后,南极上空臭洞的形成时间也开始提早.
1992年,南极臭氧洞最大时范围曾一度超过2300万平方公里,约为南极大陆面积的1.5倍,而1993年的情形亦相当不乐观.根据NASA和「世界气象组织」(WMO)的调查,己经确定1993年南极臭氧层的破洞不但偏及南极大陆,而且将扩及南美洲部分地区.
依据日本昭和基地南极观测队的报告,从1993年8月中~9月中旬,基地上空的臭氧量和1992年相同,都维持相当低的水准,其中8月26日只有188D.U.,是基地历年8月观测纪录中的最低值.而进入9月后,臭氧量仍持续减少,9月1~19日的平均值只有209D.U.,是1970~1979年年平均值的72%.
北极臭氧层亦将不保
过去科学家认为,由於北极和南极上空的气象型态不同,除非北极气温显著下降,否则北极臭氧不会像南极一样大量减少.但现在情形也有了变化.
1989年,NAS科学家布洛维尔(Edward V. Browell)和美国「海洋暨大气总署」(NOAA)的普罗斐特(Michael H. Proffite),发现北极上空大约6%的臭氧遭到破坏.虽然相较於同时期南极上空的50%要低得多,但后续发展显示,北极上空的臭层也已陷入危机.
到了1990年2月上旬,北极部分地区上空的臭氧量已低至200D.U.以下.1992年1月,NASA的气象观测机在北极上空,检测出历年来最高浓度的氧化氯自由基(ClO).氧化氯自由基在氟氯碳化物分解臭气的一连串反应中,扮演重要角色,因此高浓度的氧化氯自由基,即意味著今后北极上空的臭氧层将遭到大规模的破坏.
根据WMO和希腊亚里斯多德大学(Aristotelin University)科学家的分析,北纬45~65度之间的北美,欧洲和西伯利亚等地,在1992~1993年冬春之交的几个月份中,臭氧含量均是历年来的最低值.由此可见,北极和北半球上空的臭氧都己岌岌可危.
就全球而言,根据日本气象厅的分析资料,1990年之间的10年间,全球大气臭氧量平均减少2.7%而最近10年,世界各地的臭氧量也都在迅速减少.以臭氧减少率来看,一般高纬度地区要比低纬度地区为高,而南半球也非常明显地高於北半球.
罪魁祸首CFCs
早在西元1896年,科学家就已经发现,燃烧煤所产生的二氧化碳,会升高地球表面的温度;比较之下,人类对大气臭氧层遭到破坏的问题,就显得非常后知后觉,以至於今天南极臭气洞一年比一年扩大,而且速度之快,几乎令科学家们措手不及.
人类直到1970年代初期,才开始警觉有许多人为因素会破坏大气中的臭氧.当时许多科学家和环保人士担心,新兴的「超音速航空器」(supersonic trnsport, SST)在平流层飞行时,所排出的氮氧化物(NOx),硫化物和大量的水汔,对高层大气会造成不利影响.1971年,加州大学柏克莱分析的物理化学家强斯敨(Harold Johnston)提出警告:超音速航空器将严重破坏臭氧层. 字串9
但在1972年,美国航空暨太空总署(NASA)发表声明,坦承太空梭的「固体燃料火箭推进引擎」(solid rocket booster, SRB)会将「氯」直接排入平流层而威胁臭氧.过去科学家直认为火山爆发是平流层中氯的唯一来源,而且由於喷发量小,所以被视为可以合理忽略.NASA此举,使科学界从此将注意的焦点,从超音速航空器和NOx,转移到氯上.
1972年7月,NASA正式公布太空梭的环境影响评估报告书,其中虽然提到太空梭会沿著轨道排出大量的氯化氢(HC1)废气,但却认为对环境影响不大.
NASA随后又委托两位西根大学的教授,史托斯基(Richard S. Stolarski)和塞西隆(Ralph J.Cicerone),对这份报告续作检讨.
他们两人在1973年春,向NASA提出结论完全不同於评估书的报告:太空梭所排出的氯,将严重破坏平流层臭氧.
但真正使臭氧问题「国际化」的关键,则应该算是两位加州大学尔汶分校(U.C.Irvine)的化学家—莫里纳(Mario J. Molina)和罗兰德(F. Sherwood Rowland),杂志上的一篇文章.他们两人在文章中明白指出:完全由人工合成的「氟氯碳化物」(CFCs),由於工业上应用范围广泛,所以在过去的50年间,排放在大气中的量已经相当可观,而且它非常安定,生命期长达40~150年,因此会在大气中不断累积,最后将上升至平流层,在这里因受紫外线照射而分解产生氯原子,活泼的氯原子会与臭氧反应,使臭氧分解消失.莫里纳和罗兰德并强调,平流层所能接纳的氯相当有限,而且即使大幅降低CFCs的使用量,大气也需要一段相当长的时间才能减缓臭氧的分解. 字串4
CFCs对臭氧的威胁,很快就引起大众传播媒体的重视.先是《纽约时报》,再是《时代》杂志,都对CFCs破坏臭氧层的消息做大篇幅的报导.原本是工业宠儿的CFCs,现在已成为恶昭彰的臭氧杀手.
CFCs性质安定不易分解
氟氯碳化物(CFCs),顾名思义,即是含有氟(F),氯(Cl),碳(C)的化合物.CFCs的应用范围极为广泛,可作为汽车和冰箱等冷冻空调的冷媒,电子和光学元件的清洗溶剂,化妆品等喷雾剂,以及PU,PS,PE的发泡剂等等.
从1930年代合成初期开始,CFCs在全球各工业国家的使用量便不断增加,主要因为CFCs的化学性质非常安定,不可燃且无毒性,故过去一直被认为安全又理想的化学物质,厂商大量制造,使用者也任其扩散至大气中.
工业界习惯上以CFC-xyz或CFC-xyz来表示不同化学组成的氟氯碳化物.其中x为碳原子数目减1,y为氢原子数目加1,z表氟原子数目.例如目前工业上常用的CFC-11(CCl3F),CFC-12(CCl2F2),以及CFC-113(CCl2FCC1F2)等.
CFCs的性质非常安定,一旦被释入大气,除非行光分解反应,否则会不断地累积在对流层中.在CFCs未受管制之前,全世界每年都要排放大约100万吨以上的CFCs,而这些管制前就被排放到大气中,总量约在2000万吨的CFCs,目前大部分仍留存在对流层中.
由於世界各主要工业国家多位北半球,因此北半球大气中CFCs的平均浓度较南半球为高.CFCs逸出后会在大气中迅速扩散,但南北两半球的大气,要穿越赤道完全混合,需时约2年.北半球大气中CFCs的平均年增率为4~5%,而南半球CFCs的平均浓度则较北半球约低8~10%,故南半球的CFCs大约也刚好是以落后北半球2年的时间,而以相同的速率在增加中.
积存在对流层的大量CFCs,会随著大气运动进入对流层.对流层的最上部是「对流层顶」(Tropopause),对流层顶的高度各地并不相同,会因季节和纬度而异,以在赤道附近最高,约达18公里;在高纬度而异,以在赤道附近最高,约达18公里;在高纬度的两极,则只有约8公里,而且夏季比冬季时略高.由於各地对流层高度不同,在纬度30度左右的副热带地区,会产生不连续的现象,「对流层顶缺口」.在这个缺口处,上下层空气混合非常强烈,CFCs等物质便因而趁隙进入平流层.
平流层中的臭氧反应
CFCs所以会对臭气层造成如此严重的伤害,主要关键就在其所含的「氯」(Cl).科学家估计,由CFCs所释出的1个氯原子,只要数个月的时间,就能使大约10万个臭氧分子消失.
在正常状况下,平流层中的臭氧分子,是处於一种动态平衡的状态.高层大气中的氧分子(O2)吸收紫外线,分解成活泼的氧原子(O):
O2+hv→O+O
氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧:
O+O2→O3
臭氧也会因受强烈紫外线照射而分解,生成氧原子和氧分,或是与活泼的氧原子作用形成氧分子:
O3+hv→O2+O
O3+O→O2+O2
臭氧就在这些反应中不断生成与分解,维持著微妙但脆弱的平衡.
氯则会破坏这种平衡.CFCs在平流层受强烈紫外线照射而分解产生氯,氯会与臭氧反应,生成氧化氯自由基(ClO):
Cl+O3→ClO+O2
带有自由基的ClO非常活泼,若与同样活泼的氧原子反应,便生成氯和较安定的氧分子:
ClO+O→Cl+O2
而这个被释出的氯,又可以再与臭氧反应,因此氯一方面能够不断消耗臭氧,另一方面却又能在反应中再生.
但过去有些研究认为CFCs对臭氧的破坏有限,那是因为氯和ClO也会和大气中的其他成分作用,而生成不会破坏臭氧的化合物.其中氯会与甲烷(CH4)作用生成氢氯酸(HCl),ClO则会与二氧化氮(NO2)作用,生成硝酸氯(ClONO2).HCl和ClONO2被称为「氯贮存物质」(chlorine reservoirs),因为它们本身不会与臭氧反应,但在某些状况下却可以释出能破坏臭氧的氯.
既然氯会形成不破坏臭氧的「氯贮在物质」,为什麼还会有臭氧洞 而且CFCs主要是由北半球工业国家所排出,在北半球大气中的CFCs浓度也高於南半球,那麼为什麼至今最大的臭氧洞是出现在南极而不是在其他地方
显然南极特殊的地理环境和气候状况,与臭氧洞的形成有密切关联.
PSCs与南极臭氧洞1986年,NOAA高层大气实验室的索罗门(Susan Soloman),和哈佛大学的麦克劳(Michael B McElroy)等人,提出一种理论,认为所谓的「PSCs」(polar stratospheric clouds,极地平流层云)中所含的冰粒,不仅会使氯贮存物质释放出氯,更会进一步妨碍氯贮存物质的生成,而加速臭氧的破坏.
由於平流层的空气极为乾燥,相对湿度只有1%左右,因此几乎没有云,雨等天气现象,但是在极地的漫漫冬夜里,仍会因酷寒而形成PSCs.
在极地6月,永夜的冬季来临,由於缺乏太阳照射,气温常会降至-80℃左右.当温降至约195°K(-78℃)时,平流层中的「三水硝酸」(HNO3 3H2O)便会包围住直径约0.1微米的硫酸微粒,而凝结成直径约1微米的较大颗粒,形成PSCs.
这些硫酸微粒的来源,有些是人为的,有些则是天然的.例如1982年墨西哥艾尔智琼火山(Mt. El Chichon)爆发,就曾把大约5百万吨的硫化物直接喷入平流层.
这种三水硝酸形成的PSCs,由於颗粒细小,而且并不蜜集,常常大规模地生成,分布范围有时?延可达数千公里,因此这种PSCs肉眼无法看见.
如果气温持续下降至190K(-83℃)以下,水汽就会附著在这些三水硝酸颗粒的表面,凝结成冰粒.要是气温下降的速度很快,所凝结的冰粒直径就较小(约2微米),但会相当密集,所形成的PSCs在阳光折射下,会显现出珍珠般的光泽,因此被称为「贝母云」(nacreous clouds).
然而如果气温是缓缓下降,则水汽凝结的冰粒将会大得多(直径约10微米),但是颗粒也会相对减少,因此所形成的PSCs就不如贝母云般明显,肉眼仅是勉强可见而已.
三水硝酸PSCs,贝母云以及大冰粒的PSCs,这三种PSCs在南极比在北极更为常见.其中又以三水硝酸形成的PSCs最普遍,因而在平流层消耗臭氧的一连串化学反应中,三水硝酸PSCs便扮演著最具关联性的角色.
PSCs中氯的重分配
三水硝酸PSCs在凝结形成的过程中,会吸收HCl至其晶界(grain boundary)中,再与ClONO2反应,以生成硝酸,但同时也放出氯气(Cl2):ClONO2(g)+HCL(s)→Cl2(g)+HNO3(s)氯气极不安定,一旦到了大约9月,极地春季阳光降临,氯气就能在短短数小时内,被紫外线分解成2个氯原子:
Cl2+hv→Cl+Cl
氯原子遂开始进行如前所述的臭氧分解反应.但是因为PSCs除了会放出氯气外,同样会消耗掉能反应生成氯贮存物质的氮化物,因此氯原子和臭氧反应生成的ClO,在缺乏反应物的情形下,会自行结合形成二聚物ClOOCl.
这个二聚物很快会被紫外线分解,释放出氯原子,再度开始分解臭氧的反应:
Cl+O→ClO+O2
ClO+ClO→ClOOCl
ClOOCl+hv→Cl+ClOO
ClOO→Cl+O2
Cl+O3→ClO+O2
若综合上列5项反应,所得的净反应将是:
O3+O3→3O2
由此可见,氯在分解臭氧的反应中,基本上是扮演催化者的角色,以促使较不安定的臭氧反应成安定的氧,而氯在反应中则是以各种不同的面貌循环出现,因此少量的氯在重新分配(repartitioning)的过程中,就能造成大量的臭氧分解.
极地涡旋和PSCs的回馈机制
除PSCs外,南极另一种与臭氧洞形成有关的气候特徵,是所谓的「极地涡旋」(polar vortex).
极地涡旋形成的时间,大约是在每年的5,6月间,也就是在南极冬季开始时,由强烈的冷气团环流所形成的涡旋,这种现象会一直持续到大约11月,温度回升时,极地涡旋才会消解.
由於形成极地涡旋的冷气团风速强劲,因此涡旋内部的空气会与周围的大气完全隔离,而从低纬度地区所吹来温暖而富含臭氧的空气,便无法进入涡旋,使内部温度无法上升,而有助於生成PSCs,造成臭氧分解;同时,能吸收紫外线辐射,使大气温暖的臭氧被分解,气温益愈下降,又促进了PSCs的生成,也使低温的极地涡旋更为稳定.
科学家认为,这种涡旋和PSCs互相回馈的机制,使南极臭氧含量在每年大约10月间达到最低点,之后,随著温度回升,涡旋瓦解,PSCs也随之消融,南极臭氧量方逐渐回升.
虽然北极不会形成如南极一般的强大涡旋,而且北极涡旋存在的时间较短,因此目前臭氧分解情形并不严重.但是科学家已在北极上空发现有与南极相同浓度的氯,若再加上涡旋和PSCs之间的回馈作用,相信北极产生臭氧洞的机率已大为提高.
臭氧减少使UV-B大增平流层臭氧会吸收紫外线(ultraviolet,UV),倘若臭氧减少,紫外线的照射强度自然会增强.
在电磁波谱中,波长在200~300mm(豪微米,1mm=10-9m)之间的属於「近紫外线」,波长在10~200mm之间的属於「远紫外线」.近紫外线可分为A,B,C三种,其中以波长在280~315mm的「紫外线B」(UV-B)对生物危害最大. 字串8
UV-B的强度,会随著时间,地点不同而异.通常夏季较冬季强,低纬度比高纬度地区强,而高海拔则比低海拔地区强.但无论如何,大气中臭氧减少,全球各地的UV-B都会增强.据估计,臭氧若减少1%,UV-B大约就会增加2%;而在出现臭氧洞的南极地区,臭氧大量减少的结果,已使紫外线量加倍增加.
紫外线增加对人类健康所造成的危害,以皮肤癌最为人熟知,而且为害最广.皮肤癌的罹患率与人种和纬度有关,例如同为10万人口的地区,美国德州就有100人以上罹患皮肤癌,瑞典为5~20人,而日本只有5人以下.换言之,一般以白种人的罹患率最高,居住地区则愈近赤道罹患率愈高.根据联合国相关组织的统计资料显示:大气总臭氧量若减少10%,皮肤癌的罹患率将增加26%,且每年全世界将新增加30万名以上的皮肤癌患者.
而在皮肤癌中,又以恶性「黑色瘤」(melanoma)最具危险性.这种皮肤癌系因皮肤基底层的色素细胞变质引起.发生初期,只是在手脚等部位出现黑痣状疙瘩,不久黑痣就急速扩展,或在周围另生新黑痣,最后并发生出血.由於这种癌细胞极易蔓延至淋巴结,肝脏乃至全身,故几乎无法使用放射线等方法加以治疗.与一般皮肤癌相比,恶性黑色瘤的罹患率虽然较低,但死亡率却极高.
根据统计,目前全球因罹患黑色瘤而死亡的人数,每天大约增加3~8%,如果平流层臭气量继续灭少,相信这个数值在未来还将大幅提高,其后续发展,值得注意.
紫外线能导致白内障
黄种人和黑种人由於皮肤外层较能吸收或扩散大量紫外线,使到达皮肤内层细胞的紫外线量减少,因此比缺乏黑色素的白人较不易罹患皮肤癌.但是紫外线对人类眼晴的伤害与人种无关.
眼晴在强烈紫外线照射下,会使透明的角膜混浊,引起角膜炎,或是造成结膜充血的结膜炎,最严重的则是白内障.白内障的病因是水晶体发生混浊,使视力逐渐衰退,虽然不会产生疼痛,但严重时仍有失明之虞.经动物实验证明,不仅强烈紫外线照射会引起白内障,即便是普通强度的紫外线,若是一再反覆照射,亦会渐渐发生白内障.据估计,大气总臭氧量若减少10%,全世界将产生160~175万名新白内障患者.
除此之外,紫外线还会破坏免疫系统,减弱人体对病毒和病原菌的抵抗力,使更容易罹患如?疹等传染性疾病.
既然紫外线会影响人体健康,自然也会影响其他生物.紫外线之所以会损害皮肤,眼晴及免疫系统,是因为紫外线能破坏人体内的蛋白质和核酸,由於核酸和蛋白质是所有生物细胞组成不可或缺的要素,因此紫外线的增加,对整个地球生态系都会有严重影响.
紫外线破坏地球生态
大气臭氧量少作用大
我们所居住的地球周围.环绕著一层大气.这层大气的主要成分是氮和氧,约占99%以上.此外,还有少量的氩,二氧化碳,水汽和臭氧(O3)等等.虽然大气中二氧化碳,水汽和臭氧含量很少,但对整个地球气候的变化却影响很大.
包围地球的大气,其特性会随高度不同而有许多变化,科学家便依照气温梯度,来划分大气的垂直结构.最接近地表的是「对流层」,其次为「平流层」,「中气层」和「热气层」.热气层是大气的最外圈,大气愈向外愈稀薄,并没有一条明显的界限.由於大气是受地球重力吸引而环绕在地球四周,因此离地表越近,空气密度越高,大约90%的空气都聚集在离地表30公里的范围之内;到了离地100公里处,大气密度已不及海平面的百万分之一,故若与地球半径约6370公里相比,大气的确只有薄薄一层而已.
平流层的位置大约在离地10~50公里处,但大气中的臭氧绝大部分都集中在离地面大约25~30公里的上平流层中,称为「臭氧层」.名虽为一层,但实际上臭氧分布各地并不均匀,而且大气中臭氧的总含量非常少,尚不到1ppm.这极薄的一层臭氧,对於地球上的生命非常常重要,因为臭氧能吸收阳光中的紫外线,将这些波长很短,而且有致命危险的辐射线,转换成热能,只有极少量能到达地表.紫外线会破坏包括DNA在内的生物分子,增加罹患皮肤癌,白内障的机率,而且和许多免疫系统疾病有关.此外,紫外线对於农作物,甚至海洋生态系都会造成负面影响.然而这层重要的臭氧已经受到严重破坏,而且清形一年比一年恶化.
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全球臭氧普遍减少
科学家大约在10年前,就已实际观测到臭气层的「破洞」.西元1985年,英国南极观测站(British Antarctic Survey)的科学法曼(Joseph C. Farman)等人发现,从1977~1984年,南极郝利湾(Halley Bay)上空,春季时的大气臭氧含量大约减少了40%以上.其他研究团体也迅速证实了这项发现,并指出臭氧量急遽减少的这块区域,其面积甚至大於南极大陆,高度则是介於12~24公里之间的平流层.这就是所谓的「臭氧洞」(ozone hole).
臭气洞其实并不是真正有个「洞」,而只是表示臭氧含量反常稀少的区域.虽然科学已经知道CFCs(chloroflurocaaarbons,氟氯碳化物)是造成臭氧洞的主要原因,但是由於南极地区特殊的气候型态,使科学家相信,南极臭氧洞应是平流层化学反应与大气环流变化等多种因素交互作用下的结果.
然而,不仅是南极,北极上空平流层的臭氧,也发现有在冬季减少,形成类似臭氧洞的现象.尤有甚者,根据世界各地地面站和人造卫星的观测结果,长期以来,全球除热带地区之外的大部分区域,平流层臭氧都有稀薄化的倾向.
南极和北极地区人烟稀少,臭氧洞对人类所造成的影响尚不明显,但如果臭氧减少的范围扩及全球,则包括东北亚,欧洲和北美洲等人口密集的地球,有害紫外线就会大量增加,对人类的为害亦将相应扩大.目前澳洲和加拿大等国都已采取具体因应措施,如发布警报以提醒居民不要在阳光下过度曝晒等. 字串3
南极臭氧连创新低
科学家在调查大气臭氧含量时,通常使用如「陶伯逊分光光度计」(Dobson spectrophotometer)等仪器在地面进行测量,或是利用高空汽球,飞机和人造卫星等,直接在大气层中观测,再比较分析测得各不同波长辐的量,以了解臭氧的消长情形.例如1987年9月,来自19个国际组织的150位科学家,在南美智利南端的奔德亚利拿(Punta Arenas),就进行过一项整合地面,卫星,高空汔球以及科学观测机ER-2的大型臭氧测量实验.
长期以来的观测纪录显示,从1991年开始,南极上的臭氧含量每年都创下新的最低纪录.1991年9月30日为162D.U.,11月8日为191D.U.,每个月都是历年来的最低值.
D.U.(Dobson Unit)是代表大气单位面积中臭氧含量的单位,以m atm-cm(milli atm-centimeter)表示.在o℃,1大气压标准状态下,1D.U.相当於百分之一公厘.
1985年以前,南极臭氧洞的大小和深度,大约以2年为消长周期.但从1989~1991年,却连续3年观测到大规模的臭氧洞.根据日本气象厅发布的资料显示,从1982~1991的10年间,南极臭氧洞的面积扩大了10倍,深度增加了2倍,被破坏的臭氧量则估计为过去的4.3倍.而且自1990年之后,南极上空臭洞的形成时间也开始提早.
字串7
1992年,南极臭氧洞最大时范围曾一度超过2300万平方公里,约为南极大陆面积的1.5倍,而1993年的情形亦相当不乐观.根据NASA和「世界气象组织」(WMO)的调查,己经确定1993年南极臭氧层的破洞不但偏及南极大陆,而且将扩及南美洲部分地区.
依据日本昭和基地南极观测队的报告,从1993年8月中~9月中旬,基地上空的臭氧量和1992年相同,都维持相当低的水准,其中8月26日只有188D.U.,是基地历年8月观测纪录中的最低值.而进入9月后,臭氧量仍持续减少,9月1~19日的平均值只有209D.U.,是1970~1979年年平均值的72%.
北极臭氧层亦将不保
过去科学家认为,由於北极和南极上空的气象型态不同,除非北极气温显著下降,否则北极臭氧不会像南极一样大量减少.但现在情形也有了变化.
1989年,NAS科学家布洛维尔(Edward V. Browell)和美国「海洋暨大气总署」(NOAA)的普罗斐特(Michael H. Proffite),发现北极上空大约6%的臭氧遭到破坏.虽然相较於同时期南极上空的50%要低得多,但后续发展显示,北极上空的臭层也已陷入危机.
到了1990年2月上旬,北极部分地区上空的臭氧量已低至200D.U.以下.1992年1月,NASA的气象观测机在北极上空,检测出历年来最高浓度的氧化氯自由基(ClO).氧化氯自由基在氟氯碳化物分解臭气的一连串反应中,扮演重要角色,因此高浓度的氧化氯自由基,即意味著今后北极上空的臭氧层将遭到大规模的破坏.
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根据WMO和希腊亚里斯多德大学(Aristotelin University)科学家的分析,北纬45~65度之间的北美,欧洲和西伯利亚等地,在1992~1993年冬春之交的几个月份中,臭氧含量均是历年来的最低值.由此可见,北极和北半球上空的臭氧都己岌岌可危.
就全球而言,根据日本气象厅的分析资料,1990年之间的10年间,全球大气臭氧量平均减少2.7%而最近10年,世界各地的臭氧量也都在迅速减少.以臭氧减少率来看,一般高纬度地区要比低纬度地区为高,而南半球也非常明显地高於北半球.
罪魁祸首CFCs
早在西元1896年,科学家就已经发现,燃烧煤所产生的二氧化碳,会升高地球表面的温度;比较之下,人类对大气臭氧层遭到破坏的问题,就显得非常后知后觉,以至於今天南极臭气洞一年比一年扩大,而且速度之快,几乎令科学家们措手不及.
人类直到1970年代初期,才开始警觉有许多人为因素会破坏大气中的臭氧.当时许多科学家和环保人士担心,新兴的「超音速航空器」(supersonic trnsport, SST)在平流层飞行时,所排出的氮氧化物(NOx),硫化物和大量的水汔,对高层大气会造成不利影响.1971年,加州大学柏克莱分析的物理化学家强斯敨(Harold Johnston)提出警告:超音速航空器将严重破坏臭氧层. 字串9
但在1972年,美国航空暨太空总署(NASA)发表声明,坦承太空梭的「固体燃料火箭推进引擎」(solid rocket booster, SRB)会将「氯」直接排入平流层而威胁臭氧.过去科学家直认为火山爆发是平流层中氯的唯一来源,而且由於喷发量小,所以被视为可以合理忽略.NASA此举,使科学界从此将注意的焦点,从超音速航空器和NOx,转移到氯上.
1972年7月,NASA正式公布太空梭的环境影响评估报告书,其中虽然提到太空梭会沿著轨道排出大量的氯化氢(HC1)废气,但却认为对环境影响不大.
NASA随后又委托两位西根大学的教授,史托斯基(Richard S. Stolarski)和塞西隆(Ralph J.Cicerone),对这份报告续作检讨.
他们两人在1973年春,向NASA提出结论完全不同於评估书的报告:太空梭所排出的氯,将严重破坏平流层臭氧.
但真正使臭氧问题「国际化」的关键,则应该算是两位加州大学尔汶分校(U.C.Irvine)的化学家—莫里纳(Mario J. Molina)和罗兰德(F. Sherwood Rowland),杂志上的一篇文章.他们两人在文章中明白指出:完全由人工合成的「氟氯碳化物」(CFCs),由於工业上应用范围广泛,所以在过去的50年间,排放在大气中的量已经相当可观,而且它非常安定,生命期长达40~150年,因此会在大气中不断累积,最后将上升至平流层,在这里因受紫外线照射而分解产生氯原子,活泼的氯原子会与臭氧反应,使臭氧分解消失.莫里纳和罗兰德并强调,平流层所能接纳的氯相当有限,而且即使大幅降低CFCs的使用量,大气也需要一段相当长的时间才能减缓臭氧的分解. 字串4
CFCs对臭氧的威胁,很快就引起大众传播媒体的重视.先是《纽约时报》,再是《时代》杂志,都对CFCs破坏臭氧层的消息做大篇幅的报导.原本是工业宠儿的CFCs,现在已成为恶昭彰的臭氧杀手.
CFCs性质安定不易分解
氟氯碳化物(CFCs),顾名思义,即是含有氟(F),氯(Cl),碳(C)的化合物.CFCs的应用范围极为广泛,可作为汽车和冰箱等冷冻空调的冷媒,电子和光学元件的清洗溶剂,化妆品等喷雾剂,以及PU,PS,PE的发泡剂等等.
从1930年代合成初期开始,CFCs在全球各工业国家的使用量便不断增加,主要因为CFCs的化学性质非常安定,不可燃且无毒性,故过去一直被认为安全又理想的化学物质,厂商大量制造,使用者也任其扩散至大气中.
工业界习惯上以CFC-xyz或CFC-xyz来表示不同化学组成的氟氯碳化物.其中x为碳原子数目减1,y为氢原子数目加1,z表氟原子数目.例如目前工业上常用的CFC-11(CCl3F),CFC-12(CCl2F2),以及CFC-113(CCl2FCC1F2)等.
CFCs的性质非常安定,一旦被释入大气,除非行光分解反应,否则会不断地累积在对流层中.在CFCs未受管制之前,全世界每年都要排放大约100万吨以上的CFCs,而这些管制前就被排放到大气中,总量约在2000万吨的CFCs,目前大部分仍留存在对流层中.
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由於世界各主要工业国家多位北半球,因此北半球大气中CFCs的平均浓度较南半球为高.CFCs逸出后会在大气中迅速扩散,但南北两半球的大气,要穿越赤道完全混合,需时约2年.北半球大气中CFCs的平均年增率为4~5%,而南半球CFCs的平均浓度则较北半球约低8~10%,故南半球的CFCs大约也刚好是以落后北半球2年的时间,而以相同的速率在增加中.
积存在对流层的大量CFCs,会随著大气运动进入对流层.对流层的最上部是「对流层顶」(Tropopause),对流层顶的高度各地并不相同,会因季节和纬度而异,以在赤道附近最高,约达18公里;在高纬度而异,以在赤道附近最高,约达18公里;在高纬度的两极,则只有约8公里,而且夏季比冬季时略高.由於各地对流层高度不同,在纬度30度左右的副热带地区,会产生不连续的现象,「对流层顶缺口」.在这个缺口处,上下层空气混合非常强烈,CFCs等物质便因而趁隙进入平流层.
平流层中的臭氧反应
CFCs所以会对臭气层造成如此严重的伤害,主要关键就在其所含的「氯」(Cl).科学家估计,由CFCs所释出的1个氯原子,只要数个月的时间,就能使大约10万个臭氧分子消失.
在正常状况下,平流层中的臭氧分子,是处於一种动态平衡的状态.高层大气中的氧分子(O2)吸收紫外线,分解成活泼的氧原子(O):
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O2+hv→O+O
氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧:
O+O2→O3
臭氧也会因受强烈紫外线照射而分解,生成氧原子和氧分,或是与活泼的氧原子作用形成氧分子:
O3+hv→O2+O
O3+O→O2+O2
臭氧就在这些反应中不断生成与分解,维持著微妙但脆弱的平衡.
氯则会破坏这种平衡.CFCs在平流层受强烈紫外线照射而分解产生氯,氯会与臭氧反应,生成氧化氯自由基(ClO):
Cl+O3→ClO+O2
带有自由基的ClO非常活泼,若与同样活泼的氧原子反应,便生成氯和较安定的氧分子:
ClO+O→Cl+O2
而这个被释出的氯,又可以再与臭氧反应,因此氯一方面能够不断消耗臭氧,另一方面却又能在反应中再生.
但过去有些研究认为CFCs对臭氧的破坏有限,那是因为氯和ClO也会和大气中的其他成分作用,而生成不会破坏臭氧的化合物.其中氯会与甲烷(CH4)作用生成氢氯酸(HCl),ClO则会与二氧化氮(NO2)作用,生成硝酸氯(ClONO2).HCl和ClONO2被称为「氯贮存物质」(chlorine reservoirs),因为它们本身不会与臭氧反应,但在某些状况下却可以释出能破坏臭氧的氯.
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既然氯会形成不破坏臭氧的「氯贮在物质」,为什麼还会有臭氧洞 而且CFCs主要是由北半球工业国家所排出,在北半球大气中的CFCs浓度也高於南半球,那麼为什麼至今最大的臭氧洞是出现在南极而不是在其他地方
显然南极特殊的地理环境和气候状况,与臭氧洞的形成有密切关联.
PSCs与南极臭氧洞1986年,NOAA高层大气实验室的索罗门(Susan Soloman),和哈佛大学的麦克劳(Michael B McElroy)等人,提出一种理论,认为所谓的「PSCs」(polar stratospheric clouds,极地平流层云)中所含的冰粒,不仅会使氯贮存物质释放出氯,更会进一步妨碍氯贮存物质的生成,而加速臭氧的破坏.
由於平流层的空气极为乾燥,相对湿度只有1%左右,因此几乎没有云,雨等天气现象,但是在极地的漫漫冬夜里,仍会因酷寒而形成PSCs.
在极地6月,永夜的冬季来临,由於缺乏太阳照射,气温常会降至-80℃左右.当温降至约195°K(-78℃)时,平流层中的「三水硝酸」(HNO3 3H2O)便会包围住直径约0.1微米的硫酸微粒,而凝结成直径约1微米的较大颗粒,形成PSCs.
这些硫酸微粒的来源,有些是人为的,有些则是天然的.例如1982年墨西哥艾尔智琼火山(Mt. El Chichon)爆发,就曾把大约5百万吨的硫化物直接喷入平流层.
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这种三水硝酸形成的PSCs,由於颗粒细小,而且并不蜜集,常常大规模地生成,分布范围有时?延可达数千公里,因此这种PSCs肉眼无法看见.
如果气温持续下降至190K(-83℃)以下,水汽就会附著在这些三水硝酸颗粒的表面,凝结成冰粒.要是气温下降的速度很快,所凝结的冰粒直径就较小(约2微米),但会相当密集,所形成的PSCs在阳光折射下,会显现出珍珠般的光泽,因此被称为「贝母云」(nacreous clouds).
然而如果气温是缓缓下降,则水汽凝结的冰粒将会大得多(直径约10微米),但是颗粒也会相对减少,因此所形成的PSCs就不如贝母云般明显,肉眼仅是勉强可见而已.
三水硝酸PSCs,贝母云以及大冰粒的PSCs,这三种PSCs在南极比在北极更为常见.其中又以三水硝酸形成的PSCs最普遍,因而在平流层消耗臭氧的一连串化学反应中,三水硝酸PSCs便扮演著最具关联性的角色.
PSCs中氯的重分配
三水硝酸PSCs在凝结形成的过程中,会吸收HCl至其晶界(grain boundary)中,再与ClONO2反应,以生成硝酸,但同时也放出氯气(Cl2):ClONO2(g)+HCL(s)→Cl2(g)+HNO3(s)氯气极不安定,一旦到了大约9月,极地春季阳光降临,氯气就能在短短数小时内,被紫外线分解成2个氯原子:
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Cl2+hv→Cl+Cl
氯原子遂开始进行如前所述的臭氧分解反应.但是因为PSCs除了会放出氯气外,同样会消耗掉能反应生成氯贮存物质的氮化物,因此氯原子和臭氧反应生成的ClO,在缺乏反应物的情形下,会自行结合形成二聚物ClOOCl.
这个二聚物很快会被紫外线分解,释放出氯原子,再度开始分解臭氧的反应:
Cl+O→ClO+O2
ClO+ClO→ClOOCl
ClOOCl+hv→Cl+ClOO
ClOO→Cl+O2
Cl+O3→ClO+O2
若综合上列5项反应,所得的净反应将是:
O3+O3→3O2
由此可见,氯在分解臭氧的反应中,基本上是扮演催化者的角色,以促使较不安定的臭氧反应成安定的氧,而氯在反应中则是以各种不同的面貌循环出现,因此少量的氯在重新分配(repartitioning)的过程中,就能造成大量的臭氧分解.
极地涡旋和PSCs的回馈机制
除PSCs外,南极另一种与臭氧洞形成有关的气候特徵,是所谓的「极地涡旋」(polar vortex).
极地涡旋形成的时间,大约是在每年的5,6月间,也就是在南极冬季开始时,由强烈的冷气团环流所形成的涡旋,这种现象会一直持续到大约11月,温度回升时,极地涡旋才会消解.
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由於形成极地涡旋的冷气团风速强劲,因此涡旋内部的空气会与周围的大气完全隔离,而从低纬度地区所吹来温暖而富含臭氧的空气,便无法进入涡旋,使内部温度无法上升,而有助於生成PSCs,造成臭氧分解;同时,能吸收紫外线辐射,使大气温暖的臭氧被分解,气温益愈下降,又促进了PSCs的生成,也使低温的极地涡旋更为稳定.
科学家认为,这种涡旋和PSCs互相回馈的机制,使南极臭氧含量在每年大约10月间达到最低点,之后,随著温度回升,涡旋瓦解,PSCs也随之消融,南极臭氧量方逐渐回升.
虽然北极不会形成如南极一般的强大涡旋,而且北极涡旋存在的时间较短,因此目前臭氧分解情形并不严重.但是科学家已在北极上空发现有与南极相同浓度的氯,若再加上涡旋和PSCs之间的回馈作用,相信北极产生臭氧洞的机率已大为提高.
臭氧减少使UV-B大增平流层臭氧会吸收紫外线(ultraviolet,UV),倘若臭氧减少,紫外线的照射强度自然会增强.
在电磁波谱中,波长在200~300mm(豪微米,1mm=10-9m)之间的属於「近紫外线」,波长在10~200mm之间的属於「远紫外线」.近紫外线可分为A,B,C三种,其中以波长在280~315mm的「紫外线B」(UV-B)对生物危害最大. 字串8
UV-B的强度,会随著时间,地点不同而异.通常夏季较冬季强,低纬度比高纬度地区强,而高海拔则比低海拔地区强.但无论如何,大气中臭氧减少,全球各地的UV-B都会增强.据估计,臭氧若减少1%,UV-B大约就会增加2%;而在出现臭氧洞的南极地区,臭氧大量减少的结果,已使紫外线量加倍增加.
紫外线增加对人类健康所造成的危害,以皮肤癌最为人熟知,而且为害最广.皮肤癌的罹患率与人种和纬度有关,例如同为10万人口的地区,美国德州就有100人以上罹患皮肤癌,瑞典为5~20人,而日本只有5人以下.换言之,一般以白种人的罹患率最高,居住地区则愈近赤道罹患率愈高.根据联合国相关组织的统计资料显示:大气总臭氧量若减少10%,皮肤癌的罹患率将增加26%,且每年全世界将新增加30万名以上的皮肤癌患者.
而在皮肤癌中,又以恶性「黑色瘤」(melanoma)最具危险性.这种皮肤癌系因皮肤基底层的色素细胞变质引起.发生初期,只是在手脚等部位出现黑痣状疙瘩,不久黑痣就急速扩展,或在周围另生新黑痣,最后并发生出血.由於这种癌细胞极易蔓延至淋巴结,肝脏乃至全身,故几乎无法使用放射线等方法加以治疗.与一般皮肤癌相比,恶性黑色瘤的罹患率虽然较低,但死亡率却极高.
根据统计,目前全球因罹患黑色瘤而死亡的人数,每天大约增加3~8%,如果平流层臭气量继续灭少,相信这个数值在未来还将大幅提高,其后续发展,值得注意.
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紫外线能导致白内障
黄种人和黑种人由於皮肤外层较能吸收或扩散大量紫外线,使到达皮肤内层细胞的紫外线量减少,因此比缺乏黑色素的白人较不易罹患皮肤癌.但是紫外线对人类眼晴的伤害与人种无关.
眼晴在强烈紫外线照射下,会使透明的角膜混浊,引起角膜炎,或是造成结膜充血的结膜炎,最严重的则是白内障.白内障的病因是水晶体发生混浊,使视力逐渐衰退,虽然不会产生疼痛,但严重时仍有失明之虞.经动物实验证明,不仅强烈紫外线照射会引起白内障,即便是普通强度的紫外线,若是一再反覆照射,亦会渐渐发生白内障.据估计,大气总臭氧量若减少10%,全世界将产生160~175万名新白内障患者.
除此之外,紫外线还会破坏免疫系统,减弱人体对病毒和病原菌的抵抗力,使更容易罹患如?疹等传染性疾病.
既然紫外线会影响人体健康,自然也会影响其他生物.紫外线之所以会损害皮肤,眼晴及免疫系统,是因为紫外线能破坏人体内的蛋白质和核酸,由於核酸和蛋白质是所有生物细胞组成不可或缺的要素,因此紫外线的增加,对整个地球生态系都会有严重影响.
紫外线破坏地球生态
由加州大学圣塔芭芭拉分校的海洋生物学家裴泽林(Barbara Prezelin),以及地理学家史密斯(Raymond Smith)所率领的一组研究人员,曾以6星期的时间,在南极半岛外的百令豪生海(Bellingshausen Sea)进行追踪调查,以评估臭氧洞对该海域生态的影响.
他们发现,由於臭氧洞有季节性消长的现象,因此穿透大气照射到海面的UV-B,也会随之而有强弱变化.影响所及,在臭氧洞涵盖范围之内海域生活的浮游植物(phytoplankton),光合作用速率将降低约6~12%.由於浮游植物生长趋缓,将造成食物链中断的危机.此外,光合速率降低亦表示二气化碳吸收量会减少,使地球温室效应恶化.
美国马里兰大学曾经针对200种农作物进行研究,在温室内观察紫外线照射的影响,结果发现约有三分之二的种类,会有生长迟缓的反应.同时,该校的科学家也曾在大豆田中安装紫外线灯,以连续6年的时间追踪观察,结果发现UV-B会使大豆的成长迟滞,因而减少收获量.其他研究机构的实验也证实,番茄,玉米,莴苣,豌豆,棉花等作物,在紫外线的照射下,都会产生类似生长迟缓的现象.
由於紫外线会改变植物体内的化学变化,因此不仅农作物的生长受到影响,与植物关系密切的昆虫和草食动物都将遭到波及.甚至森林中枯枝枯叶形成的腐殖质,成分都会有所改变.臭氧洞如此牵一发而动全身的影响,势将危及整个地球生态环境的平衡.
保护臭氧层为全球共识
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他们发现,由於臭氧洞有季节性消长的现象,因此穿透大气照射到海面的UV-B,也会随之而有强弱变化.影响所及,在臭氧洞涵盖范围之内海域生活的浮游植物(phytoplankton),光合作用速率将降低约6~12%.由於浮游植物生长趋缓,将造成食物链中断的危机.此外,光合速率降低亦表示二气化碳吸收量会减少,使地球温室效应恶化.
美国马里兰大学曾经针对200种农作物进行研究,在温室内观察紫外线照射的影响,结果发现约有三分之二的种类,会有生长迟缓的反应.同时,该校的科学家也曾在大豆田中安装紫外线灯,以连续6年的时间追踪观察,结果发现UV-B会使大豆的成长迟滞,因而减少收获量.其他研究机构的实验也证实,番茄,玉米,莴苣,豌豆,棉花等作物,在紫外线的照射下,都会产生类似生长迟缓的现象.
由於紫外线会改变植物体内的化学变化,因此不仅农作物的生长受到影响,与植物关系密切的昆虫和草食动物都将遭到波及.甚至森林中枯枝枯叶形成的腐殖质,成分都会有所改变.臭氧洞如此牵一发而动全身的影响,势将危及整个地球生态环境的平衡.
保护臭氧层为全球共识
由於国际社会体认到CFCs等「臭氧层破坏物质」(ODSs, ozone-depleting substances),已对臭氧层造成严重破坏,以及臭氧层对地球生态环境的重要性,「联合国环境规划署」(UNEP, the United Nations Environment Programme)遂於1985年召集世界各国共商对策,签订保护臭氧层的「维也纳协定」(the Vienna Convention),但「维也纳协定」并不具强制性. 字串1
在这个基础上,1987年9月,共有27个国家签署极具象徵与实质意义的「蒙特娄议定书」(the Montreal Protocol).「蒙特娄议定书」强制规定缔约国,至西元1990年时,CFCs的使用量必须降至1986年使用量的50%.
之后,「蒙特娄议定书」的管制措施便不断修订,管制范围扩大,削灭时程缩短,同时缔约国的数目也不断增加.1992年11月23~25日,於丹麦哥本哈根举行的蒙特娄议定书第4次缔约国会议,就有超过100个国家参加,并将全面禁用CFCs的时间提前至1996年1月1日.
我国虽然不是蒙特娄议定书的缔约国,但早在1983年5月,卫生署便已公告禁止化妆品喷雾剂使用CFCs;并在1992年4月,由经济部成立「臭氧层及地球温暖化问题因应对策专案小组」,以积极配合蒙特娄议定书的管制措施,避免我国成为贸易制裁的对象.
日本东京大学自1979年起,便进行测量南北两半球大气中CFCs等微量成分浓度的实验.根据其资料显示,北半球大气中CFC-11,CFC-12的浓度,过去每年年平均增加约4%,最近情形稍有减缓,或许全球实施的管制措施已开始收效.蒙特娄议定对CFCs的管制,是国际合作保护地球环境的成功首例,为日后势将愈趋频繁的跨国界环保问题,提供了良好的解决范例.
虽然国际间已有在1996年前完全停止生产,使用臭氧层破坏物质的共识,但是这些长寿的物质,大部份仍停留在下层大气中,而亦将缓缓上升至平流层被紫外线分解,所以臭氧层要恢复原状,估计仍将需100年以上的时间.
积极研发CFCs替代品
随著CFCs削减时程的提前,使得CFCs替代品的研发工作愈益蓬勃.目前,许多国际知名的化学公司,如杜邦(Du Pont),卜内门(ICI)等,都积极投入替代品之开发;如NEC, SONY等各大公司也都相继宣布将停用CFCs.如果未来能研发出价格低廉,转换简易的替代品,相信厂商都能不侍法律规定,就乐於争相淘汰CFCs.
在评估替代品的适用性时,主要的考虑因素之一便是「臭氧层破坏能力指数」(Ozone Depletion Potential, ODP).ODP值越高,臭氧破坏力就越大.如CFC-12的ODP均为1,CFC-113的ODP为0.8;而替代品HFC-22(CHCIF2)的ODP值为0.055,虽然已经很低,但是由於对臭氧仍具破坏力,因此仅属於「过渡物质」(transitional substances),未来仍将遭到禁用.又如汽车冷媒HFC-134a(CH2FCF3)的ODP为0,便不预期未来会有禁用之限制.
而与开发替代物质和替代技术同等重要,甚至更为重要的,就是不可再像过去一样,任随这些人工物质弃置於环境中,也就是建立使用后皆应完全回收的观念.因为即是替代品,也无法保证未来就完全不会危害环境.现在被列为管制品的CFCs,过去就曾经被认为是对环境无害的安全物质,而如困在使用初期就能妥善规划,避免任意排放并加以回收再利用,或许今的臭氧层便不至於稀薄如斯.
保护地球刻不容缓
在这个基础上,1987年9月,共有27个国家签署极具象徵与实质意义的「蒙特娄议定书」(the Montreal Protocol).「蒙特娄议定书」强制规定缔约国,至西元1990年时,CFCs的使用量必须降至1986年使用量的50%.
之后,「蒙特娄议定书」的管制措施便不断修订,管制范围扩大,削灭时程缩短,同时缔约国的数目也不断增加.1992年11月23~25日,於丹麦哥本哈根举行的蒙特娄议定书第4次缔约国会议,就有超过100个国家参加,并将全面禁用CFCs的时间提前至1996年1月1日.
我国虽然不是蒙特娄议定书的缔约国,但早在1983年5月,卫生署便已公告禁止化妆品喷雾剂使用CFCs;并在1992年4月,由经济部成立「臭氧层及地球温暖化问题因应对策专案小组」,以积极配合蒙特娄议定书的管制措施,避免我国成为贸易制裁的对象.
日本东京大学自1979年起,便进行测量南北两半球大气中CFCs等微量成分浓度的实验.根据其资料显示,北半球大气中CFC-11,CFC-12的浓度,过去每年年平均增加约4%,最近情形稍有减缓,或许全球实施的管制措施已开始收效.蒙特娄议定对CFCs的管制,是国际合作保护地球环境的成功首例,为日后势将愈趋频繁的跨国界环保问题,提供了良好的解决范例.
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虽然国际间已有在1996年前完全停止生产,使用臭氧层破坏物质的共识,但是这些长寿的物质,大部份仍停留在下层大气中,而亦将缓缓上升至平流层被紫外线分解,所以臭氧层要恢复原状,估计仍将需100年以上的时间.
积极研发CFCs替代品
随著CFCs削减时程的提前,使得CFCs替代品的研发工作愈益蓬勃.目前,许多国际知名的化学公司,如杜邦(Du Pont),卜内门(ICI)等,都积极投入替代品之开发;如NEC, SONY等各大公司也都相继宣布将停用CFCs.如果未来能研发出价格低廉,转换简易的替代品,相信厂商都能不侍法律规定,就乐於争相淘汰CFCs.
在评估替代品的适用性时,主要的考虑因素之一便是「臭氧层破坏能力指数」(Ozone Depletion Potential, ODP).ODP值越高,臭氧破坏力就越大.如CFC-12的ODP均为1,CFC-113的ODP为0.8;而替代品HFC-22(CHCIF2)的ODP值为0.055,虽然已经很低,但是由於对臭氧仍具破坏力,因此仅属於「过渡物质」(transitional substances),未来仍将遭到禁用.又如汽车冷媒HFC-134a(CH2FCF3)的ODP为0,便不预期未来会有禁用之限制.
而与开发替代物质和替代技术同等重要,甚至更为重要的,就是不可再像过去一样,任随这些人工物质弃置於环境中,也就是建立使用后皆应完全回收的观念.因为即是替代品,也无法保证未来就完全不会危害环境.现在被列为管制品的CFCs,过去就曾经被认为是对环境无害的安全物质,而如困在使用初期就能妥善规划,避免任意排放并加以回收再利用,或许今的臭氧层便不至於稀薄如斯.
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保护地球刻不容缓
臭氧层遭CFCs等物质破坏的问题,从最初单纯的科学研究,逐渐演变成攸关各国政治与经济民生的国际性事务,同时,也成为人类日后面对其他环保问题时,最具参考价值的案例.
臭氧层被破坏,全世界同蒙其害,世界各国自当同心协心,携手共谋对策.但平心而论,正如其他工业污染问题一样,北半球各大工业先进国均是始作俑者,在饱尝过去经济发展所带来的种种福祉之后,也应该对地球环境的维护,付出比别人更多的心力,一方面对发展中国家提供资金与技术的协助,另一方面也应顾及各地区不同的发展环境和实力,而不应以一套标准,强制其他国家一体遵行,有拒不从者,便动辄以贸易报复手段等施之.否则,发展中国家不得已而将有限的资源和国力投注在环保事务上,很可能会使刚起步的经济发展倒退,造成严重的社会不安.届时,地球环境非但未被改善,甚至将更为恶化.
无论如何,过去许多区域性的公害问题,都已发展成全球性的环保问题,就横的方面来说,影响范围扩大,全球已无净土;就纵的方面来说,即使环保工作积极进行,要使地球回复旧观,也是上百年的工夫.
「前人砍树,后人遭殃」已经成为事实.
臭氧层被破坏,全世界同蒙其害,世界各国自当同心协心,携手共谋对策.但平心而论,正如其他工业污染问题一样,北半球各大工业先进国均是始作俑者,在饱尝过去经济发展所带来的种种福祉之后,也应该对地球环境的维护,付出比别人更多的心力,一方面对发展中国家提供资金与技术的协助,另一方面也应顾及各地区不同的发展环境和实力,而不应以一套标准,强制其他国家一体遵行,有拒不从者,便动辄以贸易报复手段等施之.否则,发展中国家不得已而将有限的资源和国力投注在环保事务上,很可能会使刚起步的经济发展倒退,造成严重的社会不安.届时,地球环境非但未被改善,甚至将更为恶化.
无论如何,过去许多区域性的公害问题,都已发展成全球性的环保问题,就横的方面来说,影响范围扩大,全球已无净土;就纵的方面来说,即使环保工作积极进行,要使地球回复旧观,也是上百年的工夫.
「前人砍树,后人遭殃」已经成为事实.
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