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环境常识
 

全球大气环境问题(三)臭氧层破坏和防治对策

臭氧层损耗是当前又一个人们普遍关注的全球性大气环境问题,因为它同样直接关系到生物圈的安危与人类的生存,需要全世界共同采取行动。

  1、臭氧层变化与臭氧洞

  臭氧(O3)是氧的同素异形体,在大气中含量很少,但其浓度变化都会对人类健康和气候带来很大的影响。

  臭氧存在于地面以上至少10km高度的地球大气层中,其浓度随海拔高度而异。

  平流层中的臭氧吸取掉太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害波长的紫外线辐射(240-329纳米,称为UV-B波长),为地球提供了一个防止紫外辐射有害效应的屏障。但另一方面,臭氧遍布整个对流层,却起着温室气体的不利作用。

  在平流层中臭氧耗损,主要是通过动态迁移到对流层,在那里得到大部分具有活性催化作用的基质和载体分子,从而发生化学反应而被消耗掉。臭氧主要是与HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活泼自由基发生同族气相反应。

  1985年,英国科学家法尔曼(Farmen)等人首先提出,“南极臭氧洞”的问题。他们根据南极[[right]][[image1]][[/right]]哈雷湾观测站(Halley Bay)的观测结果,发现从1957年以来,每年早春(南极10月份)南极臭氧浓度都会发生大规模的耗损,极地上空臭氧层的中心地带,臭氧层浓度已极其稀薄,与周围相比像是形成了一个“洞”,直径达上千公里,“臭氧洞”就是因此而得名的。这一发现得到了许多其他国家的南极科学站观测结果的证实。卫星观测结果表明,臭氧洞在不断扩大,至1998年臭氧洞的覆盖面积已相当于三个澳大利亚。而且,南极臭氧洞持续的时间也在加长。这一切迹象表明,南极臭氧洞的损耗状况仍在恶化之中。

  臭氧层的损耗不只发生在南极,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损耗现象。只是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。我国的科学工编辑(中国气象科学院的周秀骥)也报道了在我国的青藏高原存在一个臭氧低值中心。中心出现于每年6月,中心区臭氧总浓度年递减率达0.345%,这在北半球是非常异常的现象。

  2、臭氧层破坏的原因

  对于臭氧层破坏的原因,科学家们有多种见解。有的认为,这可能跟AMAZON河地区不断出现的森林火灾有关;有的认为,臭氧洞之所以出现在两极,是极地低温造成的,美国肯塔基大学的一个科学小组则认为,臭氧水平可能是随着太阳黑子活动的自然周期而变化的。但是,多数科学家则认为,人类过多使用氟氯烃(CFCS)类物质是臭氧层破坏的一个主要原因。

  CFCS的形式决定了它们对臭氧层的危害程度。含H的CFCS比不含H的降解得快,对平流层臭氧威胁较小,而像C2H4F2(CFC152a)类不含氯溴的CFCS则对平流层臭氧威胁更小,甚至不构成威胁。

  BrOX和ClOX破坏臭氧的机理:能产生这两种自由基的化合物,主要是氟利昂和哈龙。氟利昂是含氟、氯饱和烃的总称。氟利昂应用广泛,主要用于制冷剂、气雾剂、发泡剂和清洁剂等。破坏臭氧的机理主要是氟利昂进入平流层后,在紫外照射下分解出Cl原子基,Cl再与O3发生链反应。

  哈龙是一类含溴卤代甲、乙烷的商品名,主要用作灭火剂,破坏臭氧的机理与氟利昂相似,研究表明,进入平流层的哈龙比氟利昂更危险。

  3、臭氧层的变化对人类的影响

  由于臭氧层被破坏,照射到地面的紫外线B段辐射(UV-B)将增强,预计UV-B 辐照水平的增加不仅会影响人类,而且对植物、野生生物和水生生物也会有影响。

   1) 对人类健康的影响

  臭氧层破坏后,人们直接暴露于UV-B辐射中的机会增加了。UV-B辐射会损坏人的免疫系统,使患呼吸道系统的传染病人增多;受到过多的UV-B辐射,还会增加皮肤癌和白内障的发病率。全世界每年大约有10万死于皮肤癌,大多数病例与UV-B有关。据估计平流层臭氧每损耗1%,皮肤癌的发病率约增加2%。总的来说,在长期受太阳照射的地区的浅色皮肤人群中,50%以上的皮肤病是阳光诱发的,即肤色浅的人比其他种族的人更容易患各种由阳光诱发的皮肤癌。此外,紫外线照射还会使皮肤过早老化。

   2) 对植物的影响

  一般说来,UV辐射使植物叶片变小,因而减少俘获阳光进行光合作用的有效面积。有时植物的种子质量也受到影响。各种植物对UV辐射的反应不同。对大豆的初步研究表明,UV辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害。臭氧层厚度减少25%,可使大豆减产20~25%。

   3) 对水生系统的影响

  UV-B的增加,对水生系统也有潜在的危险。水生植物大多数贴近水面生长,这些处于水生食物链最底部的小型浮游植物最易受到平流层损耗的影响,而危及整个生态系统。研究表明,UV-B辐射的增加会直接导致浮游植物、浮游动物、幼体鱼类、幼体虾类、幼体螃蟹以及其它水生食物链中重要生物的破坏。研究人员已发现臭氧洞与浮游植物繁殖速度下降12%有直接关系,而美国能源与环境研究所的报告表明,臭氧层厚度减少25%导致水面附近的初级生物产量降低35%,光亮带(生产力最高的海洋带)减少10%。

   4) 对其它方面的影响

   有研究指出,UV-B增加会使一些市区的烟雾加剧。一个模拟实验发现,在同温层臭氧减少33%,温度升高4℃时,费城及纳什维尔的光化学烟雾将增加30%或更多。

   另一种经济上很重要的影响是,臭氧耗竭会使塑料恶化、油漆退色、玻璃变黄、车顶脆裂。

  4、保护臭氧层的对策

   大家已经知道,氟氯烃类物质造成臭氧层的破坏最大,因此,了解其使用与排放情况,找到解决问题的对策,达成国际协议的基础,尽快停止使用CFCS。

   CFCS主要用于气溶胶喷雾剂,如制冷剂、发泡剂和溶剂等。当今世界上,从冷冻机、冰箱、汽车到硬质薄膜、软垫家具,以及从计算机芯片到灭火器,都离不开CFCS。CFCS的产量在世界各地极不相同,主要使用量集中在美国及西方工业化国家。

  1) 逐步禁止生产和使用破坏臭氧层的物质,从而保护臭氧层免遭破坏。既然破坏臭氧层的物质均为人造化学品,那么完全禁止生产和应用这些物质是可能的,但是,由于氟里昂在工农业生产上的重要地位,马上禁止生产和使用是有难度的,因此,国际上采用的办法是逐步禁止生产和使用这些破坏臭氧层的物质。

  因此有了著名的《保护臭氧层维也纳公约》和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》及《蒙特利尔议定书(修正案)》。我国也在1989年9月加入《维也纳公约》。

   2) 全球合作

   为了使发展中国家的缔约国能够实施控制措施,缔约国应尽力向发展中国家提供情报及培训机会,并寻求发展适当资金机制,促进以最低价格向发展中国家转让技术和替换设备。

   3) 研究开发破坏臭氧层物质的替代物。由于破坏臭氧层的物质在工农业生产中占有相当重要的地位,限用和禁用上述物质就必须研究开发相应的替代物。因为破坏臭氧层的物质主要为氟里昂,所以,寻找氟里昂的替代物是研究的重点。现在比较常用的有:氢氟烃HFC,氢氟烃中不含氯,不破坏臭氧层,在大气中的降解产物毒性较低,是较理想的替代物。但温室效应较重,而且有些替代品有生产成本高,热交换性能差、易燃的缺点等。氢氯氟烃HClF,氢氯氟烃的臭氧层破坏系数低,亦可作为氟里昂的过渡替代物,可用作聚氨酯和绝缘材料的发泡剂。其它替代物,有氟碘烃FI,其中的C—I键很容易吸取紫外线发生断裂,不会滞留在大气层,是很有发展前途的氟里昂替代物。氟代乙醇、氟代醚、二甲醚、氨、饱和烃作为氟里昂的替代物均有研究和应用。氦、空气、水、二氧化碳及氮等许多天然物质在低温和制冷行业早有应用,应该也是比较理想的替代物。

  我国上海、青岛已开发出无氟冰箱。日本通产省技术研究院现已开发出新一代氟里昂,其分子式为C4H5F7O或C3H3F5O,它既不破坏臭氧层,也不产生温室效应。
 
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