臭氧和氧氣是氧元素的同素異構(gòu)體，呈淡藍(lán)色，因有一種魚(yú)腥臭味，因此而得名“臭氧”。在地球的大氣層中，臭氧(O3)的含量極少，僅占空氣的幾百萬(wàn)分之一，由太陽(yáng)飛出的帶電粒子進(jìn)入大氣層，使氧分子裂變成氧原子，而部分氧原子與氧分子重新結(jié)合成臭氧分子。距地面15～50千米高度的大氣平流層，集中了地球上約90%的臭氧，這就是“臭氧層”。

從1840年發(fā)現(xiàn)臭氧氣體至今已170年，在這漫長(zhǎng)的歲月中，隨著科學(xué)及測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對(duì)臭氧層的認(rèn)識(shí)日益深入，其中有著名的Chapman臭氧層光化學(xué)理論(1930年)及羅蘭-莫里那理論(1974年)。

1985年，法爾曼(Farmen)等發(fā)現(xiàn)南極臭氧層有嚴(yán)重?fù)p失。1995年初，美國(guó)太空總署發(fā)布了衛(wèi)星遙感測(cè)量結(jié)果，證實(shí)了羅蘭-莫里那理論，使人們認(rèn)識(shí)到臭氧層對(duì)于生命、全球氣候以及人類的未來(lái)至關(guān)重要。然而，近20多年來(lái)，地球上的臭氧層正在遭到破壞。

盡管臭氧層在地球表面并不太厚，臭氧在大氣層中只占百萬(wàn)分之一，若在氣溫0℃時(shí)，將地表大氣中的臭氧全部壓縮到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，臭氧層的總厚度才不過(guò)3mm。就是這樣的一個(gè)臭氧層，卻吸收了來(lái)自太陽(yáng)99%的高強(qiáng)度紫外輻射(是波長(zhǎng)100～400納米的紫外線，分為長(zhǎng)波(UV-A)、中波(UV-B)、短波(UV-C)。長(zhǎng)波紫外線能夠殺菌，但是波長(zhǎng)為200～315納米的中短波紫外線對(duì)人體和生物有害，尤其是240～290納米的紫外區(qū)段對(duì)今天的生命本質(zhì)物質(zhì)——核酸和蛋白質(zhì)有嚴(yán)重的破壞作用)。

臭氧層成為地球一道天然屏障，使地球上的生命免遭強(qiáng)烈的紫外線傷害。假如沒(méi)有臭氧層擋住紫外輻射，陸地上將荒蕪一片，現(xiàn)在任何形式的生命在陸地上斷難存在，這或許是生命誕生于原始海洋中的原因之一。

可以毫不夸在地說(shuō)，地球上的一切生命就像離不開(kāi)水和氧氣一樣離不開(kāi)大氣臭氧層，大氣臭氧層是地球上一切生靈的保護(hù)傘。億萬(wàn)年來(lái)，萬(wàn)物生靈在臭氧層保護(hù)傘的蔭護(hù)下得以生存和繁衍。

一、臭氧層破壞的現(xiàn)狀

1985年，英國(guó)科學(xué)家法爾曼(Farmen)等人首先提出，“南極臭氧洞”的問(wèn)題。他們根據(jù)南極哈雷灣觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)從1957年以來(lái)，每年早春(南極10月份)南極臭氧濃度都會(huì)發(fā)生大規(guī)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(gè)“洞”，直徑達(dá)上千公里,“臭氧洞”就是因此而得名的。這一發(fā)現(xiàn)得到了許多其他國(guó)家的南極科學(xué)站觀測(cè)結(jié)果的證實(shí)。

衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果表明，臭氧洞在不斷擴(kuò)大，至2006年臭氧層空洞曾達(dá)到2950萬(wàn)km3，相當(dāng)于兩個(gè)南極大陸。同時(shí)，南極臭氧洞持續(xù)的時(shí)間也在加長(zhǎng)。這一切跡象表明，南極臭氧洞的破壞狀況仍在惡化之中。

目前，不僅在南極，在北極上空也出現(xiàn)了臭氧減少的現(xiàn)象，美、日、英、俄等國(guó)家聯(lián)合觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，北極上空臭氧層也減少了20%，已形成了面積約為南極臭氧空洞三分之一的北極臭氧空洞。在被稱為是世界上“第三極”的青藏高原，中國(guó)大氣物理及氣象學(xué)者的觀測(cè)也發(fā)現(xiàn)，青藏高原上空的臭氧正在以每10年2.7%的速度減少，已經(jīng)成為大氣層中的第三個(gè)臭氧空洞。

二、破壞臭氧層的物質(zhì)

自從發(fā)現(xiàn)南極上空出現(xiàn)臭氧空洞以后，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)近十多年的研究，最后得出一致的結(jié)論：臭氧層的破壞和臭氧空洞的出現(xiàn)，是人類自身行為造成的;是人們?cè)谏a(chǎn)和生活中大量地生產(chǎn)和使用“消耗臭氧層物質(zhì)(ODS)”以及向空氣中排放大量的廢氣造成的。

ODS主要包括下列物質(zhì)：CFCs(氯氟烴)、哈龍(Halon，全溴氟烴)、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷等。

ODS的用途：用作制冷劑、噴霧劑、發(fā)泡劑、清洗劑等。

廢氣：主要是汽車尾氣、超音速飛機(jī)排出的廢氣、工業(yè)廢氣等。

在上述所有物質(zhì)中，破壞力最強(qiáng)的(或者稱之為“罪魁禍?zhǔn)住?是CFCs和哈龍。而在我們生活中用的最多的就是我們大家所熟悉的CFCs。

到上世紀(jì)80年代初，全世界每年向大氣排放100多萬(wàn)噸該類物質(zhì)，而歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家的排放量占全世界90%以上。從20世紀(jì)的30年代初到90年代的五六十年中，人類總共生產(chǎn)了1500萬(wàn)噸氯氟烴。人類開(kāi)發(fā)了氯氟烴，使自己的生活提高了檔次，卻帶來(lái)了一個(gè)巨大的環(huán)境問(wèn)題——臭氧層的破壞。

三、臭氧層破壞機(jī)理

在平流層中臭氧耗損，主要是通過(guò)動(dòng)態(tài)遷移到對(duì)流層，在那里得到大部分具有活性催化作用的基質(zhì)和載體分子，從而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被消耗掉。O3主要是與HOx、NOx、ClOx和BrOx中含有的活潑自由基發(fā)生同族氣相反應(yīng)。

1、廢氣破壞臭氧層

廢氣中含有大量的氮氧化物(如NO和NO2等)，這些氮氧化物可以破壞掉大量的臭氧分子，從而造成臭氧層的破壞。

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，核爆炸、航空器發(fā)射、超音速飛機(jī)將大量的氮氧化物直接注入平流層中，同樣會(huì)使臭氧濃度下降。

NO對(duì)臭氧層破壞作用的機(jī)理為：

O3+NO→O2+NO2

O+NO2→O2+NO

總反應(yīng)式為：

O+O3→2O2

2、CFCs和哈龍對(duì)臭氧層的破壞

美國(guó)科學(xué)家莫里納(Molina)和羅蘭德(Rowland)提出：人工合成的一些含氯和含溴的物質(zhì)是造成臭氧層被破壞的元兇，最典型的是氯氟烴類化合物(CFCs)和含溴化合物哈龍(Halons)。

CFCs和Halons在生產(chǎn)和使用過(guò)程中總是要泄漏的，泄漏后首先進(jìn)入大氣的對(duì)流層中。而這些物質(zhì)在對(duì)流層中是化學(xué)惰性的，即它們?cè)趯?duì)流層中十分穩(wěn)定，可以存在幾十年甚至上百年不發(fā)生變化。但這些物質(zhì)不可能總是存在于對(duì)流層中，通過(guò)極地的大氣環(huán)流以及赤道地帶的熱氣流上升，最終使這些物質(zhì)進(jìn)入平流層。然后又在風(fēng)的作用下，把它們從低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)輸送，在平流層內(nèi)混合均勻。

在平流層內(nèi)，強(qiáng)烈的太陽(yáng)紫外線照射使CFCs和Halons分子發(fā)生解離，釋放出高活性的氯和溴的自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破壞臭氧層的主要物質(zhì)，它們對(duì)臭氧破壞的化學(xué)機(jī)理如下：

R-Cl→R·+Cl·

Cl·+O3→ClO·+O2

ClO·+O3→Cl·+2O2

溴原子自由基也是以同樣的過(guò)程破壞臭氧。據(jù)估算，一個(gè)氯原子自由基在失活以前可以破壞掉104-105個(gè)臭氧分子，而由Halon釋放的溴原子自由基對(duì)臭氧的破壞能力是氯原子的30-60倍。而且，氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協(xié)同作用，即二者同時(shí)存在時(shí)，破壞臭氧的能力要大于二者簡(jiǎn)單的加和。

當(dāng)然，臭氧空洞的形成除了以上的化學(xué)過(guò)程外，還有空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程和極地特殊的溫度變化過(guò)程所參與的非均相的催化反應(yīng)過(guò)程，這就是為什么臭氧空洞出現(xiàn)在兩極以及多發(fā)生在春季。

四、臭氧層破壞的長(zhǎng)期性

令科學(xué)家和社會(huì)各界憂慮的是，CFCs和Halons具有很長(zhǎng)的大氣壽命，一旦進(jìn)入大氣就很難去除，這就意味著即使人類停止生產(chǎn)和使用這些物質(zhì)，它們對(duì)臭氧層的破壞還會(huì)持續(xù)一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

目前，在全球廣大地區(qū)都觀測(cè)到臭氧總量的下降，其直接后果是導(dǎo)致地球太陽(yáng)紫外線輻射的增加。根據(jù)1998年聯(lián)合國(guó)環(huán)境署臭氧層耗損環(huán)境影響專家委員會(huì)的報(bào)告，由于臭氧層破壞，導(dǎo)致全球范圍地面紫外線照射加強(qiáng)。

其中：北半球中緯度地區(qū)冬/春季增加了7%;北半球中緯度地區(qū)夏/秋季增加了4%;南半球中緯度地區(qū)全年平均增加了6%;南極地區(qū)春季增加了130%;北極地區(qū)春季增加了22%。預(yù)計(jì)在隨后的幾十年里，臭氧層將處于最脆弱的狀態(tài)。臭氧層破壞對(duì)全球環(huán)境和人類健康的影響將是深遠(yuǎn)的。

一、對(duì)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(jī)會(huì)增加了。UV-B輻射會(huì)損壞人的免疫系統(tǒng)，使患呼吸道系統(tǒng)的傳染病人增多;增加皮膚癌和白內(nèi)障的發(fā)病率。全世界每年大約有10萬(wàn)多人死于皮膚癌，大多數(shù)病例與UV-B有關(guān)。研究表明，如果大氣中臭氧含量減少1%，地面受紫外線幅射就會(huì)增加2～3%。而人類患皮膚癌的患者就會(huì)增加5～7%。

由于臭氧層耗損導(dǎo)致的白內(nèi)障和皮膚癌在目前還沒(méi)有得到控制，預(yù)計(jì)由于臭氧層耗損導(dǎo)致的白內(nèi)障和皮膚癌將在21世紀(jì)末能夠降低到原來(lái)的水平。

二、對(duì)陸生生態(tài)影響

UV-B輻射增強(qiáng)將破壞植物和微生物組織，使植物葉片變小，因而減少俘獲陽(yáng)光進(jìn)行光合作用的有效面積。UV-B輻射改變植物的生物活性和生物化學(xué)過(guò)程(但不一定是破壞);這種改變將包括植物的生命周期和植物中的一些化學(xué)成分;某些化學(xué)成分可能是一些植物含有的關(guān)鍵成分，而這些成分可以幫助植物防止病菌和昆蟲(chóng)的襲擊，可以影響作為人類和動(dòng)物食物的植物的質(zhì)量。

例如：對(duì)大豆的初步研究表明，UV輻射會(huì)使其更易受雜草和病蟲(chóng)害的損害，臭氧層厚度減少25%,可使大豆減產(chǎn)20～25%。對(duì)長(zhǎng)生命植物而言，UV-B輻射效應(yīng)具有積累效果;目前的研究表明UV-B輻射存在累積效應(yīng)，如果對(duì)大多數(shù)植物都有這類效應(yīng)，對(duì)森林的影響后果將不堪設(shè)想。UV-B輻射同其他環(huán)境因子，包括CO2、溫度、水、礦物質(zhì)等，對(duì)陸生生態(tài)產(chǎn)生影響。

三、對(duì)水生生態(tài)影響

UV-B的增加，對(duì)水生系統(tǒng)有潛在的危險(xiǎn);水生植物大多數(shù)貼近水面生長(zhǎng)，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臭氧破壞的影響，而危及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。研究表明，UV-B輻射的增加會(huì)直接導(dǎo)致浮游植物、浮游動(dòng)物、幼體魚(yú)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(fā)現(xiàn)臭氧洞與浮游植物繁殖速度下降12%有直接關(guān)系;美國(guó)能源與環(huán)境研究所的報(bào)告表明，臭氧層厚度減少25%導(dǎo)致水面附近的初級(jí)生物產(chǎn)量降低35%，光亮帶(生產(chǎn)力最高的海洋帶)減少10%。

四、對(duì)生物化學(xué)圈影響

UV-B輻射增強(qiáng)將改變CO2和CO循環(huán)已經(jīng)得到肯定?？扇苄杂袡C(jī)碳(DOC)和固體有機(jī)碳(POC)可吸收UV-B輻射并被降解，降解產(chǎn)物將被細(xì)菌進(jìn)一步降解。這一過(guò)程對(duì)碳循環(huán)非常重要，由于UV-B可以降解DOC，UV-B的增加將增加UV-B和UV-A對(duì)水的穿透能力，穿透能力提高之后UV-B又可以進(jìn)一步降解DOC，升溫和酸化將提高UV-B的穿透能力;UV-B輻射增強(qiáng)將導(dǎo)致海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品產(chǎn)量下降;由于UV-B減少了海洋微生物產(chǎn)量，進(jìn)而減少了海洋浮游生物對(duì)CO2的吸收能力。

五、對(duì)空氣質(zhì)量影響

UV-B增加后，對(duì)流層化學(xué)反應(yīng)活性增強(qiáng);對(duì)流層中的臭氧主要受到NOx和碳?xì)浠衔锏挠绊?。模式研究表明額外的UV-B輻射將減少清潔地區(qū)臭氧，但是將增加污染地區(qū)的臭氧水平。近年研究證實(shí)，UV-B增加會(huì)使一些市區(qū)的煙霧加劇。模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平層臭氧減少33%，溫度上升4℃時(shí)，費(fèi)城及納什維爾的光化學(xué)煙霧將增加30%或更多。

六、對(duì)材料影響

UV-B輻射將影響聚合材料的物理和機(jī)械性質(zhì)。UV-B輻射增加將減少聚合和生物材料(如木材、紙張、羊毛和棉制品、塑料等)的使用壽命。在經(jīng)濟(jì)方面，臭氧耗竭會(huì)使塑料惡化、油漆退色、玻璃變黃、車頂脆裂等，造成經(jīng)濟(jì)損失。

七、改變大氣輻射平衡

通過(guò)地面監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星觀測(cè)，由于臭氧層耗損，導(dǎo)致平流層下部氣溫變冷和對(duì)流層變熱，使原有的臭氧縱向分布發(fā)生改變，破壞地球的輻射收支平衡，加劇對(duì)流層中CO2、O3這些溫室氣體量的增加，成為影響氣候變化的一個(gè)重要的因素，以至于人們有可能不得不在一個(gè)陌生的、古怪的、天氣變化無(wú)常的環(huán)境下生存。

隨著人們對(duì)臭氧層保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，在取得共識(shí)的基礎(chǔ)上，有關(guān)國(guó)際組織和許多國(guó)家政府迅速采取了許多有效措施來(lái)避免臭氧層受到進(jìn)一步破壞的聯(lián)合行動(dòng)。

一、保護(hù)大氣臭氧層措施

1、凍結(jié)和削減氟利昂與哈龍的生產(chǎn)及消耗量

既然破壞臭氧層的物質(zhì)均為人造化學(xué)品，那么完全禁止生產(chǎn)和應(yīng)用這些物質(zhì)是可能的。但是，由于氟里昂在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要地位，立即禁止生產(chǎn)和使用是有難度的，因此，國(guó)際上采用的辦法是逐步禁止生產(chǎn)和使用這些破壞臭氧層的物質(zhì)。即將氟利昂的生產(chǎn)及使用凍結(jié)在1986年的水平上，1994年停止生產(chǎn)和使用哈龍。

2、減少氟利昂的排放量

除禁止氟利昂作氣溶膠應(yīng)用外，通過(guò)再循環(huán)使用的方式也可減少其排放量。如制軟泡沫塑料中所用的氟利昂，收集后再生，經(jīng)炭過(guò)濾再使用，能減少操作損失50%。

3、研究開(kāi)發(fā)破壞臭氧層物質(zhì)的替代物

較好的代用品應(yīng)該是既不會(huì)破壞臭氧層，也不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的化合物。由于破壞臭氧層的物質(zhì)主要為氟里昂，所以，尋找氟里昂的替代物是研發(fā)的重點(diǎn)。

現(xiàn)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(chǎn)物毒性較低，是較理想的替代物。但溫室效應(yīng)較重，而且有些替代品有生產(chǎn)成本高,熱交換性能差、易燃的缺點(diǎn)等。

氫氯氟烴HClF，氫氯氟烴的臭氧層破壞系數(shù)低，亦可作為氟里昂的過(guò)渡替代物，可用作聚氨酯和絕緣材料的發(fā)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(fā)生斷裂,不會(huì)滯留在大氣層，是很有發(fā)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(yīng)用。氦、空氣、水、二氧化碳及氮等許多天然物質(zhì)在低溫和制冷行業(yè)早有應(yīng)用，應(yīng)該也是比較理想的替代物。

另外，許多國(guó)家目前正投入力量研究不采用氟利昂制冷原理的技術(shù)。例如磁制冷技術(shù)、氣體制冷技術(shù)、熱電制冷技術(shù)、吸附制冷技術(shù)和吸收制冷技術(shù)等。

4、臭氧層破壞原因分析

繼續(xù)對(duì)對(duì)流層臭氧形成和耗損的機(jī)理、氟利昂等排放的影響，對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的危害等方面進(jìn)行綜合調(diào)查研究。

二、國(guó)際保護(hù)臭氧層日(9月16日)

1987年9月16日，36個(gè)國(guó)家和10個(gè)國(guó)際組織的140名代表和觀察員在加拿大蒙特利爾集會(huì)，通過(guò)了大氣臭氧層保護(hù)的重要?dú)v史性文件《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》。

在該議定書(shū)中，規(guī)定了保護(hù)臭氧層的受控物質(zhì)種類和淘汰時(shí)間表，要求到2000年全球的氟利昂消減一半，并制定了針對(duì)氟利昂類物質(zhì)生產(chǎn)、消耗、進(jìn)口及出口等的控制措施。由于進(jìn)一步的科學(xué)研究顯示大氣臭氧層破壞的狀況更加嚴(yán)峻，

1990年通過(guò)《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》倫敦修正案，1992年通過(guò)了哥本哈根修正案，受控物質(zhì)種類再次擴(kuò)充，完全淘汰的日程也一次次提前，締約國(guó)家和地區(qū)也在增加。到目前為止，締約方已達(dá)165個(gè)之多，反映了世界各國(guó)政府對(duì)保護(hù)臭氧層工作的重視和責(zé)任。

聯(lián)合國(guó)環(huán)境署還規(guī)定從1995年起，每年的9月16日為“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”，以增加世界人民保護(hù)臭氧層的意識(shí)，提高參與保護(hù)臭氧層行動(dòng)的積極性。

我國(guó)政府和科學(xué)家們非常關(guān)心保護(hù)大氣臭氧層這一全球性的重大環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)早于1989年就加入了《保護(hù)臭氧層維也納公約》，先后積極派團(tuán)參與了歷次的《保護(hù)臭氧層維也納公約》和《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》締約國(guó)會(huì)議，并于1991年加入了修正后的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》。成立了保護(hù)臭氧層領(lǐng)導(dǎo)小組，編制并完成了《中國(guó)消耗臭氧層物質(zhì)逐步淘汰國(guó)家方案》。根據(jù)這一方案，我國(guó)已于1999年7月1日凍結(jié)了氟利昂的生產(chǎn)，并將于2010年前全部停止生產(chǎn)和使用所有消耗臭氧層物質(zhì)。

目前，全球范圍生產(chǎn)和消費(fèi)氯氟烴(CFCs)和其它消耗臭氧層物質(zhì)(ODS)已經(jīng)被奇跡般地減少了將近70%。氯氟烴的重復(fù)利用被廣泛地采用，同時(shí)，臭氧安全技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可行并被廣泛采用。監(jiān)測(cè)表明，大氣中消耗臭氧層物質(zhì)增長(zhǎng)速度已經(jīng)逐漸減慢，甲基溴的含量也已經(jīng)減少。

但由于臭氧層破壞物質(zhì)從大氣中除去十分困難。預(yù)計(jì)采用哥本哈根修正案，也要在2050年左右平流層氯原子濃度才能下降到臨界水平以下，到那時(shí)，我們上空的“臭氧洞”可望開(kāi)始恢復(fù)。臭氧層保護(hù)是近代史上一個(gè)全球合作十分典型的范例，這種合作機(jī)制將成為人類的財(cái)富，并為解決其它重大問(wèn)題提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

9月16日“國(guó)際保護(hù)臭氧層日”的確定，進(jìn)一步表明了國(guó)際社會(huì)對(duì)臭氧層耗損問(wèn)題的關(guān)注和對(duì)保護(hù)臭氧層的共識(shí)。