破坏臭氧层的机理

时间:2009-09-17 14:07:26  来源:中国保护臭氧层网  作者:  点击:

一、气相反应

字串7

    一、臭氧层的形成 字串2

    在平流层中,一部分氧气分子可以吸收小于240μm波长的太阳光中的紫外线,并分解形成氧原子。这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧,生成的臭氧可以吸收太阳光而被分解掉,也可与氧原子相结合,再度变成氧分子。其过程可用下面的化学反应方程式来表示:

字串5

    O2+Hυ → 2O?
    O2+O+M+O3 → M?
    O3+hυ → J[10]O2+O?
    O3+O → 2O2

字串4

    M为反应第三体,它们是氮气和氧气分子,其作用是与生成的臭氧相碰撞,接受过剩的能量以使臭氧稳定。臭氧的浓度取决于上述纯氧反应理论生成反应和消除反应的平衡状态,它可以大体上重现出臭氧浓度的高度分布。但是从定量角度看,这一理论得出的平流层臭氧浓度 是实际臭氧浓度的2倍左右。
?  纯氧理论出现的问题,主要是没有考虑到大气中的微量成份的催化作用,通过链式反应消除臭氧。其链式反应方程式如下:
字串2

    X+O3→XO+O2?
    XO+O→X+O2
    合计 O+O2→2O2?
    其中X为H,OH,NO,Cl。

字串6

    如果考虑了上述大气中微量成分消除臭氧的反应,再考虑大气运动效果,则大体上可以再现实际的臭氧高度分布。 字串6

在平流层中,臭氧的生成和消亡处于动态平衡,正常情况下维持 一定的浓度,此种动态平衡亦可用下图表示。

字串7

字串9

    二、气相反应引起的臭氧层破坏 字串8

    人类生产和使用大量CFCs,因其化学稳定性好、在对流层下易被分解而进入平流层。到达平流层的CFCs受到短波紫外线UV—C的照射,分解为Cl?自由基,参与对臭氧的消耗,见下图。
                                     

    Cl?自由基消耗臭氧的连锁循环过程如下:

字串1

    CFxCly → CFxCly-1+Cl?
    Cl+O3 → ClO+O2?
    O2 → 2O
    ClO+O → Cl+O2?
字串6

    Cl?自由基与O3反应的速度比NO与O3的反应快6倍。反应过程中释放的氯可以在平流层中存在好几年,因此一个Cl?自由基能够消耗10万个O3就不足为怪了。

字串8

    一般情况下CFCs放出一个氯离子,但是剩下的基团可以通过与氧气等的后续反应,使CFCs中的全部氯都以破坏臭氧层的活动形态放出。

字串4

    与此类似,臭氧的消耗应反还可以通过溴原子来进行,这些溴原子是从卤代烷灭火剂即哈龙中释放出来的。虽然哈龙对臭氧的破坏能力比CFCs要高,但由于大气中哈龙的浓度要远低于CFCs,整体而言,哈龙对臭氧的破坏要比CFCs小。在我国使用哈龙1211和哈龙1301的数量很大,就其破坏臭氧层的能力而言是CFCs的1/3,其破坏作用不可忽视。

字串6

    仅仅根据气相反应理论,臭氧减少的最明显的高度应在40km附近。但是实际上臭氧减少趋势最大的高度是20km附近。而20km附近正是臭氧浓度最高的区域,这一事实进一步说明了臭氧层破坏的严重性。这种气相反应经典理论,与实际臭氧层破坏状况不一致的原因现已找到。这是由于破坏臭氧的反应通常是在颗粒状气溶胶表面进行,即非均相反应所造成的。正是非均相反应极大地破坏臭氧层才造成南极“臭氧空洞”。

字串6

二、非均相反应
    一)、南极臭氧空洞形成原理
    自从发现在南极上空存在臭氧空洞以后,为了查实和弄清臭氧层耗减及臭氧空洞形成的原因,美国宇航局(NASA)牵头组织了数十个科学家于1986年和1987年的9~11月,两次赴南极进行臭氧探险活动,寻求揭示臭氧空洞形成的机理。在第二次探险中获得了有效的探测结果,由此推理出臭氧空洞形成的机理。
    人类所排放的CFCs主要在北半球,其中欧洲、俄罗斯、日本和北美洲约占总排放量的90%。这种不溶于水和不活泼的CFCs,在头1~2年内在整个大气层下部并与大气混合。这种含有CF Cs的大气从底部向上升腾,一直到达赤道附近的平流层。然后分别流向两极,这样经过整个平流层的空气几乎都含有相同浓度的CFCs,然而由于地球表面的巨大差异,两极地区的气象状况是完全不同的。南极是一个非常广阔的陆地板块(南极洲),周围又完全被海洋所包围,这种自然条件下产生了非常低的平流层温度。在南极黑暗酷冷的冬季(6~9月),下沉的空气在南极洲的山地受阻,停止环流而就地旋转,吸入周围的冷空气,形成“极地风暴旋涡”。
    这股“旋涡”上升到20km高空的臭氧层,由于这里温度非常低,形成了滞留的“冰云”。“ 冰云”中的冰晶微粒把空气中带来的CFCs和哈龙吸收在其表面,并不断积聚其中。当南极的春季来临(9月下旬),阳光照向“冰云”时,冰晶溶化,释放出吸附的CFCs和哈龙。它们受到紫外线UV-C照射,分解出Cl和Br,并与臭氧反应生成ClO和BrO消耗臭氧。由于冰晶的吸附作用,积累的CFCs和哈龙在一段时间内集中分解出Cl和Br,再加上形成冰晶会发生各种各样的化学变化,促成了每年9~11月臭氧快速耗减,在特定高度臭氧几乎完全消失,导致臭氧空洞形成。 字串4
    随着夏季的到来,南极臭氧层得到逐渐恢复,然而臭氧减少的空气可以传输到南半球的中纬度,造成全球规模的臭氧减少。
    二)、北极地区臭氧层破坏的原理
    南极能够形成臭氧空洞,人们自然会联想到北极也可能发生臭氧空洞。根据这一推断,1989 年初,来自几个国家的200个科学家又聚集到北极进行考察探测。他们发现北极的春天,臭氧层中的ClO浓度升高和臭氧浓度降低,两者之间有着显著的对应关系(见下图)。只是北极没有极地大陆和高山,仅有一片海洋冰帽,形不成大范围强烈的“极地风暴”,所以不易生成像南极一样大的“臭氧空洞”。但是由于北极也有通过非均相反应破坏臭氧层的典型物质,因此在“极地风暴”可以生成的年份里,北极也可能发生大规模的臭氧层破坏,近几年北极出现的“臭氧空洞”便足以说明问题。对于北极臭氧层耗减的日益严重,已经变得十分引人注目。

字串6

字串8

    三)、中纬度臭氧减少的原理
    中纬度臭氧的减少趋势高于气相反应理论预测的结果,在高度20km附近臭氧减少的原因前面已经论述。在南半球,由于极地风暴的消失,南极“臭氧空洞”臭氧浓度很低的气团可以向中纬度扩散,从而稀释了中纬度臭氧使其浓度下降,人们认为这种稀释效应具有十分重要的作用。
    北半球中纬度臭氧减少几机理尚不十分清楚,一般认为有如下两种可能:? 字串4

  1. 虽然北极地区极地风暴不稳定,仍可短时间形成一些“冰云”,并发生一系列非均相反应,破坏臭氧,减少了臭氧的空气可向中纬度扩散传输,或者CIO等破坏臭氧的物质传输到中纬度,加速了臭氧破坏。
  2. 在中纬度平流层中存在的硫酸盐气溶胶,其表面上发生一系列非均相反应,加速了臭氧破坏。
字串2


救救大自然环保公益网站:WWW.99DAZIRAN.COM

24小时热门信息

    AD