大气的组成及臭氧层
一、大气的结构与组成 字串3
大气是指包围地球外围的空气层，总质量大约为5.3 x 1015 t，仅是地球总量的百万分之一。由于受重力的作用，大气从地面到高空逐渐稀薄，大气质量主要集中在下部，50%集中在5km以下，75%集中在10km以下，98%集中在30km以下。
一、大气结构
根据大气垂直方向上的热状况和运动状况，大气分为5层，见下图。
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1、对流层
对流层是大气中最低的一层，底界为地面，上界高度从赤道向两极逐渐减小。由于对流层和地面接触，从地面获得热量，使得大气温度随高度的增加而降低，通常每升高100m大气温度降低0.65℃。对流层内具有强烈的对流作用，其强度随纬度的升高而减弱，即低纬度较强而高纬度较弱，这也就是对流层厚度为什么会从赤道向两极减少的原因。对流层厚度低纬度地区为17～18km，中纬度地区为10～12km，高纬度地区为8～9km。大气层质量的75%都集中在这里，云、雾、雨、雪等主要大气现象都发生在这一层，这里的空气地比较潮湿。对流层下界，自地表向上延伸1～1.5km受地表影响最大，称为摩擦层或称为大气边界层。对流层对人类生产、生活和生态平衡影响最大。大气污染现象也主要发生在这一层，特别是近地面的大气边界层。?
2．平流层和臭氧层
对流层顶上直至大约50km高度之间称为平流层。该层几乎没有水汽，因此空气比较干燥。垂直温度先是随高度增加而变化甚小，到30～35km高度基本保持在-55℃左右，再往上温度则随高度增加而上升，到平流层顶温度升至?-3℃以上。对流层顶以上，平流层内臭氧量增加，在15～25km臭氧浓度达到最大值，称为臭氧层。臭氧层能吸收绝大部分太阳紫外线，阻挡了强紫外线辐射到地面，同时加热平流层，使地面生物和人类免受紫外线伤害。? 字串9
3．中间层
离地表50～85km这一区域称为大气的中间层。在平流层之上温度随着高度增加而下降，中间层的温度可降至-100℃，在该层内又出现比较强的垂直对流作用。?
4．热成层
中间层之上，上界可达800km以上的大气层称为热成层。该层内大气因直接吸收太阳辐射而得到能量，因此温度随高度而增加，并且日变化和季变化明显，昼夜温差可达几百度，由于在太阳辐射的作用下，大部分气体分子发生电离，而且有较高密度的带电粒子，是电离层的主要分布层。电离层能反射无线电波，其变化对全球的无线通讯有重大意义。?
5．逸散层
这是大气圈的最外层，离地表800km以上。由于大气向上越来越稀薄，地心引力减弱，以致一个气体质点被碰撞出这一层后，就很难有机会再被上层气体质点撞回来，而进入宇宙空间了。逸散层是一层相当厚的过渡层，其高度约为2000～3000km，该层温度也随高度增加而升高。? 字串2
二、大气组成
自然状态下，大气是由混合气体、水汽和杂质组成。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮，20.94%的氧，0.93%的氩。这三种气体占总 量的99.96%，其它各项气体含量计不到0.1%，这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。在近地层大气中上述气体的含量几乎可认为是不变化的，称为恒定组分。? 字串1
在干洁空气中，易变的成分是二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）等，这些气体受地区、季节、气象以及人类生活和生产活动的影响。正常情况下，二氧化碳含量在20km以上明显减少。近地层干洁空气组成如下表所示。 字串3
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气体 字串4
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体积分数 字串9 |
气体 字串1 |
体积分数 |
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氮 字串3 |
780 900 字串4
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氪 字串2
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1.0 字串6
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氧 字串5 |
209 400 字串2 |
一氧化氮 字串4 |
0.5 字串4 |
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氩 字串9 |
9 300 字串9 |
氢 字串8
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0.5 字串6 |
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二氧化碳 字串5 |
315 字串8 |
氙 字串6
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0.08 字串1 |
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氖 字串9 |
18 字串7 |
二氧化碳 字串8 |
0.02 字串1 |
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甲烷 字串9 |
1.0～1.2 字串4 |
字串4 |
字串9
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大气中组分是不稳定的，无论是自然灾害，还是人为影响，会使大气中出现新的物质，或某种成分的含量过多地超出了自然状态下的平均值，或某种成分含量减少，都会影响生物的正常发育和生长，给人类造成危害，这是环境保护工作者应研究的主要对象。
二、臭氧层的作用
在离地面10～50km的大气平流层中，集中了大气中约90%的臭氧，其中离地22～25km臭氧浓度值达到最高，称其为臭氧层。如果将地球上臭氧压缩至1个大气压，其厚度仅有3mm左右，就像是一件“厚度为3mm 左右的宇宙服”。下面讨论一下有关臭氧层的作用和分布变化。 字串3
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大气臭氧层主要有三个作用。
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其一为保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长300 μm以下的紫外线，主要是一部分UV—B（波长290～300μm）和全部的UV—B（波长＜290μm），见图1 -1-3和图1-1-4，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B能够辐射到地面，长波紫外线对生物细胞的伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件宇宙服保护地球上的生物得以生存繁衍。 字串2
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其二为加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，由于这种作用大气温度结构在高度50km左右有一个峰，地球上空15～50km存在着升温层。正是由于存在着臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存在平流层。大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。
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其三为温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。因此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。
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二、臭氧的分布和变化 字串5
臭氧的分布如前图所示。低纬度地区臭氧峰值较高，而高纬度地区的臭氧峰值较低。 字串4
臭氧总量随季节变化，高纬度地区从冬季到春季的总量都大。从冬季到春季高纬度地区臭氧总量变大是传输效果引起的，属于力学作用。在低纬度平流层中生成的臭氧的大气被传送至高纬度并沉降。由于这种运动在冬季到春季期间较为活跃，所以在这段时间内的臭氧浓度较高。上述传输作用引起的臭氧变化只局限于平流层下部，但在高度30～35km的空间则相反，夏天的臭氧浓度增高而冬天却降低。这与夏天通过光化学反应生成臭氧的速度较快是一致的，这便是所谓的化学作用。 字串1
三、臭氧层耗减的发现与现状
20世纪70年代以来，从世界各地地面观察站对大气臭氧总量的观测记录发现，全球臭氧总量有逐渐减少的趋势，并推断臭氧的减少主要在臭氧层。
一些环境科学家认为，某些人类活动所散发的物质进入臭氧层后，参与了消耗臭氧的化学反应，破坏了臭氧层的自然动态平衡，因此出现了臭氧层耗减的迹象。
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1974年，美国加利福尼亚大学教授罗兰和莫利纳首先提出，世界上正在大量生产和使用的CFCs，化学性能稳定，不易在对流层内分解，而扩散进入到臭氧层。进入臭氧层的CFCs受到短波紫外线UV-C的照射分解成CI自由基，参与了对臭氧的消耗。由此人们得出原来破坏臭氧层的元凶是CFCs。同年在美国化学学会的年会上，报告了臭氧层减耗对人类健康和生存环境的危害性，使美国社会为之哗然。
1985年，英国南极考察队队长法曼报告，他们从1977年起就发现南极上空的臭氧总量在每年9月下旬开始，迅速地减少到一半左右，形成一个“臭氧空洞”，持续到11月方才逐渐恢复。这一报道引起世界性的震惊，要求保护臭氧层的呼声十分高涨。
通过对卫星资料和地面观测的数据进行分析，得到了臭氧总量的变化趋势，见下表 。 字串3
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季 节 字串6 |
卫星资料：1979～1991 字串8 |
地面观测：26’N～64’N 字串3
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45’S 字串6 |
赤道 字串3 |
45’N 字串2 |
1979～1991 字串9 |
1970～1991 字串9 |
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12～3月 字串9 |
-5.2±1.5 字串7 |
+0.3±4.5 字串6 |
-5.6±3.5 字串5 |
-4.7±0.9 字串4 |
-2.7±0.7 字串8 |
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4～8月 字串3 |
-6.2±3.0 字串5 |
+0.1±5.2 字串6 |
-2.9±2.1 字串5 |
-3.3±1.2 字串7 |
-1.3±0.4 字串1 |
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9～11月 字串6 |
-6.4±3.2 字串5 |
+0.3±5.0 字串2 |
-1.7±1.9 字串8 |
-1.2±1.6 字串9 |
-1.2±0.6 字串6 |
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可以看出，北半球上空的臭氧从冬季到春季有大量减少的趋势，而这种变化趋势在20世纪80年代更加明显。在赤道附近未出现明显减少趋势。在南半球中纬度则全年都有明显减少趋势。 字串7
不同地区臭氧总量的变化如下图所示。
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该图清楚表明20世纪80年代与60、70年代相比，臭氧减少速度之间的差异。虽然臭氧减少趋势强弱与地区有关，但是仍然可以发现20世纪80年代与过去相比，臭氧减少速度明显加快 。
南极是一个非常寒冷的地区，终年被冰雪覆盖，四面环绕着海洋。从20世纪80年代中期开始出现关于南极上空臭氧层浓度在春季（10月份）期间明显下降的报道起，进一步的测量表明，在过去10 ～15年间，每到春天南极上空的平流层臭氧都会发生急剧的大规模耗损。极地上空的臭氧层中心地带，近95%的臭氧被破坏。从地面向上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比好像是形成了一个“洞”，直径达上千公里，“臭氧空洞”就是因此而得名的，南极臭氧空洞示意图见下图。卫星观测表明，臭氧空洞的覆盖面积有时甚至比美国的国土面积还要大。
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臭氧空洞被定义为臭氧的柱浓度小于200D.U.,也即臭氧的浓度较臭氧空洞发生前减少超过30 %的区域。臭氧空洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧空洞的面积、深度以及延续的时间。1987年10月，南极上空的臭氧浓度降到了1957～1978年间的一半，臭氧空洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。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%；臭氧空洞的面积也在不断的扩大，1994年10月17日观测到的臭氧空洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。
近几年，臭氧空洞的深度和面积等仍在继续扩展，1995年观测到的臭氧空洞发生期间是77天，到1996年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧空洞发生期间增加到80天。1997年至今，观测到的臭氧空洞发生的时间也在提前，连续两年南极臭氧空洞从每年的冬初即开始，1998 年臭氧空洞的持续时间超过了100天，是南极臭氧空洞发现以来的最长记录，而且臭氧空洞的面积比1997年增大约15%，几乎可以相当于3个澳大利亚。这一切迹象表明，南极臭氧空洞的耗减状况仍在恶化之中。?
进一步的研究和观测还发现，臭氧层耗减不只发生在南极，在北极上空和其它中纬度地区也 都出现了不同程度的臭氧层耗减现象。实际上，尽管没有在北极发现类似南极空洞的臭氧损 失，但科
学研究发现，北极地区在1～2月的时间，16～20km高度的臭氧损耗约为正常浓度的 10%，北纬60啊 70岸确段У某粞踔?ǘ鹊钠苹翟嘉 5%～8%。因此，与南极的臭氧破坏相 比，北极的臭氧损耗程度要轻得多，而且持续时间相对较短。不过，近几年臭氧在北半球和 北极也有急剧减少的现象。
欧洲航天局1999年11月30日测得西欧北部上空的臭氧含量出现超低现象。在英国、比利时、荷兰和斯堪和纳维亚半岛上空的臭氧含量几乎降到与南极上空的臭氧含量同样低的水平，只相当于该地区往年同期臭氧含量的2/3。
由美国、欧盟、日本等多个国家和地区的科学家进行的一项联合研究表明，在2000年冬季里，北极上空臭氧含量急剧减少。据“第三次欧洲臭 氧同温层试验”发表的新闻公报说，2000年1～3月间，北极上空18km处的臭氧同温层里，臭 氧含量累计减少了60%以上，这是近10年同一区域臭氧损失最严重的一次，在距地面20km的上空，臭氧损失相对要轻一些。在3月份的头两周，北极上空臭氧平均含量比20世纪80年代的监测结果低16%。北极上空臭氧减少将影响到整个欧洲上空的臭氧含量。2000年3月，希腊萨洛尼卡大学发表报告说，欧洲上空的平均臭氧含量比1976年以前的水平低15%。 字串6
1998年日本北海道上空的臭氧量在过去10年间减少了3.3%。?
为了探明臭氧减少的原因，正确评价臭氧减少所带来的影响，了解臭氧等浓度面的高度分布和变化是十分重要的。在高度40km左右和高度15～20km的范围内臭氧明显减少，因为15～25 km高度范围内臭氧浓度最高，所以即使与其它高度范围呈现相同的减少率，对臭氧总量减少 的影响也是非常大的。
我国在北京和昆明建立了两个观察站，也对大气臭氧总量进行了观测。从1979～1989年10年间的观测结果可以看出，上述两个站上空的臭氧总量都出现下降趋势。北京站的纬度更高，下降趋势更为明显，见下图。
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我国在青藏高原存在一个臭氧低值中心。中心出现于每 年6月，臭氧总浓度的年递减率达0.345%，这在北半球是非常异常的现象。我国上空臭氧总量减少情况见下图。
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预测今后几十年内，大气中臭氧总量还将继续减少。即使采取措施，自2000年起完全停止使用CFCs和哈龙，大气臭氧总量也要到100年以后，即2100年才能恢复到1985年的水平。臭氧层的这种现状已经引起了各国政府和人民的普遍担忧。 字串6
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