臭氧层损耗的原因、危害及其防治对策

杨桂英

（赤峰学院 环境与资源系，内蒙古 赤峰 024000）

臭氧层损耗的原因、危害及其防治对策

杨桂英

（赤峰学院 环境与资源系，内蒙古 赤峰 024000）

臭氧层是指距离地表15～50km处臭氧分子相对富集的大气平流层.它能吸收99%以上对人类有害的太阳紫外线，保护地球上的生命免遭短波紫外线的伤害.因此，臭氧层被誉为地球上生物生存繁衍的保护伞.然而，近20多年来，地球上的臭氧层正在遭到破坏.目前，如何防止臭氧层遭破坏已成为人类面临的全球性环境问题之一.

臭氧层；原因；危害；防治对策

臭氧和氧气是氧元素的同素异构体，呈淡蓝色，因有一种鱼腥臭味，因此而得名“臭氧”.在地球的大气层中，臭氧（O3）的含量极少，仅占空气的几百万分之一，由太阳飞出的带电粒子进入大气层，使氧分子裂变成氧原子，而部分氧原子与氧分子重新结合成臭氧分子.距地面15～50千米高度的大气平流层，集中了地球上约90%的臭氧，这就是“臭氧层”.

从1840年Soh nbein发现臭氧气体至今已170年，在这漫长的岁月中，随着科学及测量技术的不断进步，人类对臭氧层的认识日益深入，其中有著名的Chapman臭氧层光化学理论（1930年）及罗兰-莫里那理论（1974年）.1985年，法尔曼(Farmen)等发现南极臭氧层有严重损失.1995年初，美国太空总署发布了卫星遥感测量结果，证实了罗兰-莫里那理论，使人们认识到臭氧层对于生命、全球气候以及人类的未来至关重要.然而，近20多年来，地球上的臭氧层正在遭到破坏.

1 臭氧层的作用

尽管臭氧层在地球表面并不太厚，臭氧在大气层中只占百万分之一，若在气温0℃时，将地表大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压时，臭氧层的总厚度才不过3mm.就是这样的一个臭氧层，却吸收了来自太阳99%的高强度紫外辐射（是波长100～400纳米的紫外线，分为长波（UV-A）、中波（UV-B）、短波（UV-C），长波紫外线能够杀菌.但是波长为200～315纳米的中短波紫外线对人体和生物有害,尤其是240～290纳米的紫外区段对今天的生命本质物质——核酸和蛋白质有严重的破坏作用）.成为地球一道天然屏障，使地球上的生命免遭强烈的紫外线伤害.假如没有臭氧层挡住紫外辐射，陆地上将荒芜一片，现在任何形式的生命在陆地上断难存在，这或许是生命诞生于原始海洋中的原因之一.可以毫不夸在地说，地球上的一切生命就像离不开水和氧气一样离不开大气臭氧层，大气臭氧层是地球上一切生灵的保护伞.亿万年来，万物生灵在臭氧层保护伞的荫护下得以生存和繁衍.

2 臭氧层损耗的现状及原因

2.1 臭氧层损耗的现状

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.他们根据南极哈雷湾观测站的观测结果，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2006年臭氧层空洞曾达到2950万km3，相当于两个南极大陆.同时，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.

目前，不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少的现象，美、日、英、俄等国家联合观测发现，北极上空臭氧层也减少了20%，已形成了面积约为南极臭氧空洞三分之一的北极臭氧空洞.在被称为是世界上“第三极”的青藏高原，中国大气物理及气象学者的观测也发现，青藏高原上空的臭氧正在以每10年2.7%的速度减少，已经成为大气层中的第三个臭氧空洞.

2.2 破坏臭氧层的物质

自从发现南极上空出现臭氧空洞以后，科学家们经过近十多年的研究，最后得出一致的结论：臭氧层的破坏和臭氧空洞的出现，是人类自身行为造成的；是人们在生产和生活中大量地生产和使用“消耗臭氧层物质（ODS）”以及向空气中排放大量的废气造成的.

ODS主要包括下列物质：CFCs（氯氟烃）、哈龙(Halon，全溴氟烃)、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷等.

ODS的用途：用作制冷剂、喷雾剂、发泡剂、清洗剂等.废气：主要是汽车尾气、超音速飞机排出的废气、工业废气等.

在上述所有物质中，破坏力最强的（或者称之为“罪魁祸首”）是CFCs和哈龙.而在我们生活中用的最多的就是我们大家所熟悉的CFCs.

到上世纪80年代初，全世界每年向大气排放100多万吨该类物质，而欧美日等发达国家的排放量占全世界90%以上.从20世纪的30年代初到90年代的五六十年中，人类总共生产了1500万吨氯氟烃.人类开发了氯氟烃，使自己的生活提高了档次，却带来了一个巨大的环境问题——臭氧层的破坏.

2.3 臭氧层损耗机理

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.O3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.

2.3.1 废气破坏臭氧层

废气中含有大量的氮氧化物（如NO和NO2等），这些氮氧化物可以破坏掉大量的臭氧分子，从而造成臭氧层的破坏.

近年来研究发现，核爆炸、航空器发射、超音速飞机将大量的氮氧化物直接注入平流层中，同样会使臭氧浓度下降.

NO对臭氧层破坏作用的机理为：

O3＋NO→O2＋NO2

O＋NO2→O2＋NO

总反应式为：O＋O3→2O2

2.3.2 CFCs和哈龙对臭氧层的破坏

美国科学家莫里纳（Molina）和罗兰德（Rowland）提出：人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成臭氧层被破坏的元凶，最典型的是氯氟烃类化合物（CFCs）和含溴化合物哈龙（Halons）.

CFCs和Halons在生产和使用过程中总是要泄漏的，泄漏后首先进入大气的对流层中.而这些物质在对流层中是化学惰性的，即它们在对流层中十分稳定，可以存在几十年甚至上百年不发生变化.但这些物质不可能总是存在于对流层中，通过极地的大气环流以及赤道地带的热气流上升，最终使这些物质进入平流层.然后又在风的作用下，把它们从低纬度地区向高纬度地区输送，在平流层内混合均匀.在平流层内，强烈的太阳紫外线照射使CFCs和Halons分子发生解离，释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坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧破坏的化学机理如下：

R-Cl→R·+Cl·

CI·＋O3→ClO·＋O2

CIO·＋O3→Cl·＋2O2

溴原子自由基也是以同样的过程破坏臭氧.据估算，一个氯原子自由基在失活以前可以破坏掉104—105个臭氧分子，而由Halon释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的30—60倍.而且，氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用，即二者同时存在时，破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和.

当然，臭氧空洞的形成除了以上的化学过程外，还有空气动力学过程和极地特殊的温度变化过程所参与的非均相的催化反应过程，这就是为什么臭氧空洞出现在两极以及多发生在春季.

2.4 臭氧层破坏的长期性

令科学家和社会各界忧虑的是，CFCs和Halons具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难去除，这就意味着即使人类停止生产和使用这些物质，它们对臭氧层的破坏还会持续一个漫长的过程.

3 臭氧层损耗对全球环境和健康的影响

目前，在全球广大地区都观测到臭氧总量的下降，其直接后果是导致地球太阳紫外线辐射的增加.根据1998年联合国环境署臭氧层耗损环境影响专家委员会的报告，由于臭氧层损耗，导致全球范围地面紫外线照射加强.其中：北半球中纬度地区冬/春季增加了7%；北半球中纬度地区夏/秋季增加了4%；南半球中纬度地区全年平均增加了6%；南极地区春季增加了130%；北极地区春季增加了22%.预计在随后的几十年里，臭氧层将处于最脆弱的状态.臭氧层损耗对全球环境和人类健康的影响将是深远的.

3.1 对人类健康的影响

臭氧层损耗后，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；增加皮肤癌和白内障的发病率.全世界每年大约有10万多人死于皮肤癌，大多数病例与UV-B有关.研究表明，如果大气中臭氧含量减少1%，地面受紫外线幅射就会增加2～3%.而人类患皮肤癌的患者就会增加5～7%.

由于臭氧层耗损导致的白内障和皮肤癌在目前还没有得到控制，预计由于臭氧层耗损导致的白内障和皮肤癌将在21世纪末能够降低到原来的水平.

3.2 对陆生生态影响

UV-B辐射增强将破坏植物和微生物组织，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.UV-B辐射改变植物的生物活性和生物化学过程（但不一定是破坏）；这种改变将包括植物的生命周期和植物中的一些化学成分；某些化学成分可能是一些植物含有的关键成分，而这些成分可以帮助植物防止病菌和昆虫的袭击，可以影响作为人类和动物食物的植物的质量.例如：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%.对长生命植物而言，UV-B辐射效应具有积累效果；目前的研究表明UV-B辐射存在累积效应，如果对大多数植物都有这类效应，对森林的影响后果将不堪设想.UV-B辐射同其他环境因子，包括CO2、温度、水、矿物质等，对陆生生态产生影响.

3.3 对水生生态影响

UV-B的增加，对水生系统有潜在的危险；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臭氧损耗的影响，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；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%.

3.4 对生物化学圈影响

UV-B辐射增强将改变CO2和CO循环已经得到肯定.可溶性有机碳（DOC）和固体有机碳（POC）可吸收UV-B辐射并被降解，降解产物将被细菌进一步降解.这一过程对碳循环非常重要，由于UV-B可以降解DOC，UV-B的增加将增加UV-B和UV-A对水的穿透能力，穿透能力提高之后UV-B又可以进一步降解DOC，升温和酸化将提高UV-B的穿透能力；UV-B辐射增强将导致海洋经济产品产量下降；由于UV-B减少了海洋微生物产量，进而减少了海洋浮游生物对CO2的吸收能力.

3.5 对空气质量影响

UV-B增加后，对流层化学反应活性增强；对流层中的臭氧主要受到NOx和碳氢化合物的影响.模式研究表明额外的UV-B辐射将减少清洁地区臭氧，但是将增加污染地区的臭氧水平.近年研究证实，UV-B增加会使一些市区的烟雾加剧.模拟实验发现，平层臭氧减少33%，温度上升4℃时，费城及纳什维尔的光化学烟雾将增加30%或更多.

3.6 对材料影响

UV-B辐射将影响聚合材料的物理和机械性质.UV-B辐射增加将减少聚合和生物材料（如木材、纸张、羊毛和棉制品、塑料等）的使用寿命.在经济方面，臭氧耗竭会使塑料恶化、油漆退色、玻璃变黄、车顶脆裂等，造成经济损失.

3.7 改变大气辐射平衡

通过地面监测和卫星观测，由于臭氧层耗损，导致平流层下部气温变冷和对流层变热，使原有的臭氧纵向分布发生改变，破坏地球的辐射收支平衡，加剧对流层中CO2、O3这些温室气体量的增加，成为影响气候变化的一个重要的因素，以至于人们有可能不得不在一个陌生的、古怪的、天气变化无常的环境下生存.

4 保护臭氧层的措施及对策

随着人们对臭氧层保护意识的不断增强，在取得共识的基础上，有关国际组织和许多国家政府迅速采取了许多有效措施来避免臭氧层受到进一步破坏的联合行动.

4.1 为了保护大气臭氧层，各国采取的一些措施，大致可概括为

4.1.1 冻结和削减氟利昂与哈龙的生产及消耗量，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,立即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.即将氟利昂的生产及使用冻结在l986年的水平上，1994年停止生产和使用哈龙.

4.1.2 减少氟利昂的排放量

除禁止氟利昂作气溶胶应用外，通过再循环使用的方式也可减少其排放量.如制软泡沫塑料中所用的氟利昂，收集后再生，经炭过滤再使用，能减少操作损失50%.

4.1.3 研究开发破坏臭氧层物质的替代物

较好的代用品应该是既不会破坏臭氧层，也不会产生温室效应的化合物.由于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发的重点.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键很容易吸收紫外线发生断裂,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.

另外，许多国家目前正投入力量研究不采用氟利昂制冷原理的技术.例如磁制冷技术、气体制冷技术、热电制冷技术、吸附制冷技术和吸收制冷技术等.

4.1.4 继续对对流层臭氧形成和耗损的机理、氟利昂等排放的影响，对人类和生态系统的危害等方面进行综合调查研究.

4.2 国际保护臭氧层日（9月16日)

1987年9月16日，36个国家和10个国际组织的140名代表和观察员在加拿大蒙特利尔集会，通过了大气臭氧层保护的重要历史性文件《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》.在该议定书中，规定了保护臭氧层的受控物质种类和淘汰时间表，要求到2000年全球的氟利昂消减一半，并制定了针对氟利昂类物质生产、消耗、进口及出口等的控制措施.由于进一步的科学研究显示大气臭氧层损耗的状况更加严峻，1990年通过《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》伦敦修正案，1992年通过了哥本哈根修正案，受控物质种类再次扩充，完全淘汰的日程也一次次提前，缔约国家和地区也在增加.到目前为止，缔约方已达165个之多，反映了世界各国政府对保护臭氧层工作的重视和责任.不仅如此，联合国环境署还规定从1995年起，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”，以增加世界人民保护臭氧层的意识，提高参与保护臭氧层行动的积极性.

我国政府和科学家们非常关心保护大气臭氧层这一全球性的重大环境问题.我国早于1989年就加入了《保护臭氧层维也纳公约》，先后积极派团参与了历次的《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》缔约国会议，并于1991年加入了修正后的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》.成立了保护臭氧层领导小组，编制并完成了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》.根据这一方案，我国已于1999年7月1日冻结了氟利昂的生产，并将于2010年前全部停止生产和使用所有消耗臭氧层物质.

目前，全球范围生产和消费氯氟烃（CFCs）和其它消耗臭氧层物质（ODS）已经被奇迹般地减少了将近70%.氯氟烃的重复利用被广泛地采用，同时，臭氧安全技术现在已经可行并被广泛采用.监测表明，大气中消耗臭氧层物质增长速度已经逐渐减慢，甲基溴的含量也已经减少.但由于臭氧层损耗物质从大气中除去十分困难.预计采用哥本哈根修正案，也要在2050年左右平流层氯原子浓度才能下降到临界水平以下，到那时，我们上空的“臭氧洞”可望开始恢复.臭氧层保护是近代史上一个全球合作十分典型的范例，这种合作机制将成为人类的财富，并为解决其它重大问题提供借鉴和经验.

9月16日“国际保护臭氧层日”的确定，进一步表明了国际社会对臭氧层耗损问题的关注和对保护臭氧层的共识.

﹝1﹞钱易，唐孝炎.环境保护与可持续发展.北京：高等教育出版社，2000.

﹝2﹞陈凤臻，于显双.环境问题与可持续发展[M].内蒙古：内蒙古教育出版社，2004.

﹝3﹞周珂.环境法[M].北京：中国人民大学出版社，2000.

﹝4﹞方禹之.中学百科全书·化学卷[M].上海:华东师范大学出版社等,1994.

﹝5﹞王庚辰.臭氧空洞亮黄牌[M].人民日报,2000-11-8.

X51

A

1673-260X（2010）09-0128-03