臭氧层空洞——化学研究性学习报告

臭氧层空洞——化学研究性学习报告

作者：admin 日期：2012-05-01

一、臭氧层空洞的定义

臭氧在大气中属微量气体，总量只占大气的百万分之0.4，而且90％以上集中在10-50公里的高层大气之中, 在离地面25千米处臭氧浓度最大。

全球大气中臭氧总量约有30亿吨，如果在摄氏零度的温度下，沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3毫米左右。

这种用从地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法，采用多布森单位（Dobson unit，简称D.U.）来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300 D.U.。臭氧洞被定义为臭氧的柱浓度小于200 D.U.，也即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过30%的区域。

二、臭氧层的作用

臭氧是氧气的同素异形体，是有特殊臭味的淡蓝色气体，具有极强的氧化性，能漂白和消毒杀菌。用臭氧净化城市饮用水，处理生活污水和工业污水，比用氯气、高锰酸钾等消毒剂既经济又不会引起二次污染。用1kg臭氧处理1000 m3水，能达到消毒、脱臭、脱色、脱味、氧化水中有机物的用。

臭氧对人类的贡献不仅只是用作漂白剂和消毒杀毒剂，更重要的是臭氧层作为地球的屏障，保护了一切生命。自然界中存在的臭氧有90％集中在距地面15 km～24 km的大气平流层中,这是氧气经太阳紫外线照射而形成的：。臭氧能吸收日光中波长2.0×10-7 m～3.0×10-7 m的电磁波，因此能滤掉日光中99％以上的紫外线，对地球表面形成保护层。如果没有臭氧层，大量紫外线照射到地球上，地球生态平衡将受到破坏，微生物被杀死，核酸与蛋白质受到破坏，平流层温度也将改变。有了臭氧层，地球上的生物才得以生存。

三、南极臭氧层空洞的形成原因

对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解。但是大多数人认，人类过多地使用氯氟烃类化学物质（用CFCs表示）是破坏臭氧层的主要原因。氯氟烃是一种人造化学物质，1930年由美国的杜邦公司投入生产。在第二次世界大战后，尤其是进入60年以后，开始大量使用，主要用作气溶胶、制冷剂、发泡剂、化工溶剂等。另外，哈龙类物质（用于灭火器）、氮氧化物也会造成臭氧层的损耗。

如上文说述，在平流层内离地面20~30千米的地方是臭氧的集中层带，在这个臭氧层中存在着氧原子（O）、氧分子（O2）和臭氧（O3）的动态平衡。但是氮氧化物、氯、溴等活性物质及其他活性基团会破坏这个平衡，使其向着臭氧分解的方向转移。而CFCs物质的非同寻常的稳定性使其在大气同温层中很容易聚集起来，其影响将持续一个世纪或更长的时间。在强烈的紫外辐射作用下它们光解出氯原子和溴原子，成为破坏臭氧的催化剂（一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子）。

空调、电冰箱用的制冷剂氯氟烃其商品名叫氟里昂。氯氟烃在低层大气中稳定，游荡 10 年左右的时间进入同温层，直至穿出臭氧层。穿出臭氧层后，在强烈紫外线的作用下，氯氟烃迅速分解，产生氯原子，氯原子极为活泼，专门拆散臭氧分子，使臭氧层逐渐变薄，出现空洞。

人类已经把 1500 万吨以上的氯氟烃排放到大气中。进入大气中的氯氟烃，只有一部分参与臭氧层破坏作用，大部分还在大气中游荡，因而，虽然现在很多地方已停止生产和使用氯氟烃，臭氧层仍然会继续遭到破坏。何况，除了氯氟烃外，工业废气、汽车和飞机的尾气、核爆炸产物、氨肥的分解物，其中可能含有氮氧化物、一氧化碳、甲烷等几十种化学物质，都是破坏臭氧层的因素。

四、臭氧层的现象及发展

    到1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已达2400万平方公里，北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄，欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了10％－15％，西伯利亚上空甚至减少了35％。科学家警告说，地球上臭氧层被破坏的程度远比一般人想象的要严重得多。

    由于臭氧有其特殊的性质，并易受各种因素的影响，所以臭氧层又是十分脆弱的。卫星观测资料表明，自２０世纪７０年代以来，全球臭氧总量明显减少，１９７９年～１９９０年，全球臭氧总量大致下降了３％。南极附近臭氧量减少尤为严重，大约低于全球臭氧平均值３０% ～４０% ，出现了“南极臭氧洞”。自１９８５年发现“臭氧洞”以来倒１９８７年它变得既宽又深，１９８８年虽然有所缓解，但１９８９年以后到９０年代的前几年里，每年南半球春季都出现很强的“臭氧洞”，１９９４年到１９９６年南极臭氧洞还在扩大。最近从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回的数据获悉，“南极臭氧洞”面积已达２４００平方千米，最薄处只有１００多布森单位（100dobson，相当于1毫米厚度）。 以上情况表明，臭氧层这个地球生命的保护伞，正在遭到严重的破坏，研究其原因和机制并提出切实可行的保护措施，已成为全世界共同面临的重大问题。

    中新网2002年9月19日电：据英国《独立报》18日报道说，澳大利亚科学家发现，南极上空臭氧层上的臭氧洞已开始萎缩，并将在2050年消失。报道说，据科学数据显示，大气层中破坏臭氧层的氯含量正在减少，因为自1987年的蒙特利尔环保协议之后，全球禁止在冰箱和空调中再使用氟氯碳化物(CFCs)。《独立报》说，负责此项研究的是澳大利亚大气科学家弗雷泽。他认为，这是个大新闻，也正是人们等待的好消息。

    中新网2003年8月1日电 科学家表示，他们首次发现确切证据显示南极臭氧层正在恢复到原来的健康状况。一个美国科学家小组发现，臭氧层受到破坏的速度正在出现显著下降。然而，科学家们也表示，臭氧层巨洞的完全弥合也至少需要50年的时间。这些研究结果是科学家们对过去20年来通过卫星和地面仪器收集的数据进行分析处理得出的。研究人员表示，1987年签署的首个全球环境保护条约《蒙特利尔议定书》是造成臭氧层逐渐弥合的原因之一。

    新华网圣地亚哥2004年１１月１１日电　根据智利气象局９日的报告，自九月中旬以来，南极上空的臭氧层空洞面积已经减少了５０％，目前为１２００万平方公里。报告指出，当前臭氧层空洞的面积远远小于过去十年间１０月底的平均值，与２００２年同期的观测结果相当。

    世界气象组织于2005年9月16日发布消息说，南极洲上空的臭氧层空洞在今年9月中旬已达2700万平方公里，接近在2003年观测到的臭氧层空洞面积的历史最高纪录。

    世界气象组织专家盖尔·布罗滕博士对媒体表示，南极洲上空目前的臭氧层空洞可能将在一星期后扩大到2800万平方公里，接近2003年时2900万平方公里的纪录。但根据现有观察，这一空洞的面积变化比较平稳，或许不会打破历史最高纪录。

    布罗滕还指出，南极洲上空这几年的臭氧层空洞变化主要受气候以及污染因素影响，并且经常在9月中旬到9月底就已达到最大面积。目前的臭氧层空洞面积表明，臭氧层损耗仍在继续。这种损耗速度很慢，还需要5到10年的观察才能有一个关于臭氧层变化的可靠结论。此前一些专家有关臭氧层恢复的说法仍有待证实。

    数据显示，南极臭氧层空洞在每年１０月面积达到最大。最新的观测结果似乎表明臭氧层空洞扩大的趋势今年有所抑制。本次报告中的数据来自智利的地面观测站，并得到空间卫星观测结果的证实。

五、臭氧层破坏的危害

    如上文说述，在平流层内离地面千米的地方是臭氧的集中层带，在这个臭氧层中存在着氧原子（）、氧分子（）和臭氧（）的动态平衡。但是氮氧化物、氯、溴等活性物质及其他活性基团会破坏这个平衡，使其向着臭氧分解的方向转移。而物质的非同寻常的稳定性使其在大气同温层中很容易聚集起来，其影响将持续一个世纪或更长的时间。在强烈的紫外辐射作用下它们光解出氯原子和溴原子，成为破坏臭氧的催化剂（一个氯原子可以破坏万个臭氧分子）。　　

    人类已经把万吨以上的氯氟烃排放到大气中。进入大气中的氯氟烃，只有一部分参与臭氧层破坏作用，大部分还在大气中游荡，因而，虽然现在很多地方已停止生产和使用氯氟烃，臭氧层仍然会继续遭到破坏。何况，除了氯氟烃外，工业废气、汽车和飞机的尾气、核爆炸产物、氨肥的分解物，其中可能含有氮氧化物、一氧化碳、甲烷等几十种化学物质，都是破坏臭氧层的因素。由于臭氧有其特殊的性质，并易受各种因素的影响，所以臭氧层又是十分脆弱的。卫星观测资料表明，自２０世纪７０年代以来，全球臭氧总量明显减少，１９７９年～１９９０年，全球臭氧总量大致下降了３％。南极附近臭氧量减少尤为严重，大约低于全球臭氧平均值３０～４０，出现了南极臭氧洞。自１９８５年发现臭氧洞以来倒１９８７年它变得既宽又深，１９８８年虽然有所缓解，但１９８９年以后到９０年代的前几年里，每年南半球春季都出现很强的臭氧洞，１９９４年到１９９６年南极臭氧洞还在扩大。最近从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回的数据获悉，南极臭氧洞面积已达２４００平方千米，最薄处只有１００多布森单位（，相当于毫米厚度）。以上情况表明，臭氧层这个地球生命的保护伞，正在遭到严重的破坏，研究其原因和机制并提出切实可行的保护措施，已成为全世界共同面临的重大问题。中新网年月日电：据英国《独立报》日报道说，澳大利亚科学家发现，南极上空臭氧层上的臭氧洞已开始萎缩，并将在年消失。报道说，据科学数据显示，大气层中破坏臭氧层的氯含量正在减少，因为自年的蒙特利尔环保协议之后，全球禁止在冰箱和空调中再使用氟氯碳化物。《独立报》说，负责此项研究的是澳大利亚大气科学家弗雷泽。他认为，这是个大新闻，也正是人们等待的好消息。中新网年月日电科学家表示，他们首次发现确切证据显示南极臭氧层正在恢复到原来的健康状况。一个美国科学家小组发现，臭氧层受到破坏的速度正在出现显著下降。然而，科学家们也表示，臭氧层巨洞的完全弥合也至少需要年的时间。这些研究结果是科学家们对过去年来通过卫星和地面仪器收集的数据进行分析处理得出的。研究人员表示，年签署的首个全球环境保护条约《蒙特利尔议定书》是造成臭氧层逐渐弥合的原因之一。新华网圣地亚哥年１１月１１日电　根据智利气象局９日的报告，自九月中旬以来，南极上空的臭氧层空洞面积已经减少了５０％，目前为１２００万平方公里。报告指出，当前臭氧层空洞的面积远远小于过去十年间１０月底的平均值，与２００２年同期的观测结果相当。世界气象组织于年月日发布消息说，南极洲上空的臭氧层空洞在今年月中旬已达万平方公里，接近在年观测到的臭氧层空洞面积的历史最高纪录。世界气象组织专家盖尔布罗滕博士对媒体表示，南极洲上空目前的臭氧层空洞可能将在一星期后扩大到万平方公里，接近年时万平方公里的纪录。但根据现有观察，这一空洞的面积变化比较平稳，或许不会打破历史最高纪录。布罗滕还指出，南极洲上空这几年的臭氧层空洞变化主要受气候以及污染因素影响，并且经常在月中旬到月底就已达到最大面积。目前的臭氧层空洞面积表明，臭氧层损耗仍在继续。这种损耗速度很慢，还需要到年的观察才能有一个关于臭氧层变化的可靠结论。此前一些专家有关臭氧层恢复的说法仍有待证实。数据显示，南极臭氧层空洞在每年１０月面积达到最大。最新的观测结果似乎表明臭氧层空洞扩大的趋势今年有所抑制。本次报告中的数据来自智利的地面观测站，并得到空间卫星观测结果的证实。 由于臭氧层中臭氧的减少，照射到地面的太阳光紫外线增强，其中波长为240~329纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用，对生物圈中的生态系统和各种生物，包括人类，都会产生不利的影响。

　　臭氧层破坏以后，人体直接暴露于紫外辐射的机会大大增加，这将给人体健康带来不少麻烦。首先，紫外辐射增强使患呼吸系统传染病的人增加；受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率。此外，强烈的紫外辐射促使皮肤老化。

　　臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响。近十几年来，人们对200多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验，其中三分之二的植物显示出敏感性。一般说来，紫外辐射增加使植物的叶片变小，因而减少俘获阳光的有效面积，对光合作用产生影响。对大豆的研究初步结果表明，紫外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%。

　　紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧，使橡胶、塑料等有机材料加速老化，使油漆褪色等。 

臭氧层破坏的后果是很严重的。如果平流层的臭氧总量减少1％，预计到达地面的有害紫外线将增加2％。有害紫外线的增加，会产生以下一些危害：

1．使皮肤癌和白内障患者增加，损坏人的免疫力，使传染病的发病率增加。据估计，臭氧减少1％，皮肤癌的发病率将提高2－4％，白内障的患者将增加0.3－0.6％。有一些初步证据表明，人体 暴露于紫外线辐射强度增加的环境中，会使各种肤色的人们的免疫系统受到抑制。

2．破坏生态系统。对农作物的研究表明，过量的紫外线辐射会使植物的生长和光合作用受到抑制，使农作物减产。紫外线辐射也使处于食物链底层的浮游生物的生产力下降，从而损害整个水生生态系统。有报告指出，由于臭氧层空洞的出现，南极海域的藻类生长已受到了很大影响。紫外线辐射也可能导致某些生物物种的突变。

3．引起新的环境问题。过量的紫外线能使塑料等高分子材料更加容易老化和分解，结果又带来光化学大气污染。

据加拿大政府1997年的一项研究结果，到2060年为止，实施 蒙特利尔议定书以控制臭氧层破坏的行动的总成本是2350亿美元，但其通过渔业、农业和人工材料损害的减少所带来的效益是4590亿美元。

六、防治措施

    为了使臭氧层不再遭受破坏，许多科学家提出禁止使用氯氟代烷作致冷剂及喷雾剂并停止生产此类物质。

    德国乌尔姆大学科学家意外发现了一种新的保护臭氧层的方法。在纳米球和全氟萘烷（用于生产血液代用品的液体）的实验过程中出乎意料地发现一种效应，该效应能挽救地球臭氧层不遭破坏，从大气中去除有害污染物。科学家在实验数据基础上研制出发生在地球同温层中的微过程模型，该模型能研究由于人类活动而进入大气的“纳米般细微”的悬浮微粒，与云团中水滴之间非常复杂的相互作用，也是消除地球臭氧层“杀手”——氟利昂的好方法。新方法不仅能使引起臭氧层破坏的作用过程暂缓，而且能使臭氧层得到恢复。

    令所有科学家感到意外的是，全氟萘烷能吸收直径为50μm的聚苯乙烯微粒水溶液，科学家认为，这是由于全氟萘烷微滴被“禁闭”在自动聚集的聚苯乙烯纳米球内部的缘故。这一发现之所以令人惊奇和关注，是因为全氟萘烷在其特性上非常像氟利昂，众所周知，氟利昂会积极破坏地球臭氧层。乌尔姆大学科学家认为，可以利用聚苯乙烯微粒收集大气中含有的氟利昂，当转移到大气中后，它们会是水滴或冰微晶的组成部分，在这种情况下“吸收”它们的氟利昂会以雨水或雪的形式落到地面上。



七、我国正逐步淘汰消耗臭氧层物质

    冰箱、空调里用于制冷的氟里昂，公安部门使用的哈龙灭火器以及居家日用的发胶等，大量使用都会造成对臭氧层的消耗。按照有关国际公约，这些物质将被限期淘汰。1999年7月6日，国家环保总局在京披露，截止到目前，我国通过实施多边基金项目和颁布政策法规，已淘汰3万多吨消耗臭氧层物质。我国将在1999年7月1日至2000年12月31日期间，淘汰总共约5500吨氟氯碳生产，从而保证我国按国际规定实现氟氯碳生产冻结在1995年至1997年3月平均水平的目标。

    我国认真履行国际义务，目前已制定并实施20多项保护臭氧层的相关措施，其中包括：对哈龙和氟氯碳化学品实行生产配额制度；禁止新建生产和使用消耗臭氧层物质的生产设施；禁止在气雾剂产品的生产中使用氟氮碳类物质；禁止在非必要的场所新配置哈龙灭火器；2001年后，禁止在新车中使用氟氯碳空调器；实施消耗臭氧层物质的生产和使用申报登记制度等。我国还鼓励生产和消费消耗臭氧层物质的替代品，鼓励替代技术的研制、开发和推广。

八、反思

    保护臭氧层 用无氟制品你一定听说过女娲补天的故事，这不过是一个神话传说。但是，科学家告诉我们，天空的确被捅了个洞，这就是臭氧层空洞。而我们平常使用的冰箱、空调等用品中的氟里昂正是凶手之一。我们能为保护臭氧层做什么？请选用无氟冰箱、不含氟的摩丝、空气清新剂等，不使用含氟的发用摩丝、定型发胶、领洁净、空气清新剂等物品。