大气化学之臭氧层破坏原理方程式

大气是人类赖以生存的基本条件之一。其主要成分为N2和O2,其次为CO2和稀有气体。大气中的水蒸气随条件改变而有所不同。由于地球重力的作用,较重的分子清香接近地球表面,而较轻的分子倾向于迁移至大气层的上空,甚至最后逸散到宇宙空间中。大气压力随海拔高度的增加而降低,然而温度随海拔高度的变化却相对复杂些。科学家们根据温度和组成的不同将大气划分为:对流层、平流层(同温层)、散逸层和热电离层等。它们以海拔高度不同自下而上分布。人类的主要活动都在只有10 km厚的对流层中。它包含了空气质量的80%和大气中的全部水蒸气,所有的天气现象—雨、雪、闪电和飓风等都在这里发生。通过氮、氧、碳的自然循环为地球上的生物提供相对稳定的正常生存条件。对流层中发生的化学反应极大地受到人类活动的影响。伴随着工业的发展,在以往的时日里,生态环境日益遭受到破坏,目前已引起全社会的关注。

臭氧层的破坏


臭氧层处于15km-35km高度的平流层中,起着保护地球生命的作用,由于O2吸收了太阳的紫外线(UV),生成了臭氧:

如果在标准状况下,将大气中的全部抽样在地球上压缩成单一组分的臭氧层,其厚度仅为3mm,虽然,平流层中臭氧的浓度很低,但可以过滤掉200nm至320nm波长的太阳辐射。这种辐射能诱发皮肤癌、遗传突变,以及损坏庄稼和植被等。

1986年在南极上空发现了臭氧层空洞。在过去的十年里北极的臭氧减少了4%-8%。1999年2月1 日中国气象报报道:1998年5月31日~10月7日,中日双方联合在拉萨对大气臭氧总量、太阳紫外辐射、气溶胶等进行了观测。结果表明,夏季在青藏高原上空存在一个明显的大气臭氧总量低值区,拉萨地区上空臭氧总量比同纬度地区低11%,且臭氧总量平均递减率达0.35%。虽然青藏高原大气臭氧损耗不如南极“臭氧洞”那么厉害,但是它对研究大气臭氧减少对地球生态影响更具有实际意义。

自20世纪70年代中期以来,科学家们就开始关注臭氧损耗问题。研究结果证实了氯氟烃(CFC,又称氟利昂)对臭氧分解起着重要作用。氟氯烃可用作冰箱和空调的制冷剂、清洗剂和分散剂等。使用中的氟氯烃最终大多逸散到到大气中,然后慢慢上升到平流层中,在175nm~220nm波长的紫外辐射下引起分解:

所形成的活泼的氯原子再发生下列反应:

其中的催化活性物种Cl本身不变,一个样原子能破坏十万个臭氧分子。

人们还发现氮氧化物NOX、硫酸酸雾,甚至火山灰粒子都具有催化分解臭氧的作用。世界各国正在为保护臭氧层做出各种努力。