南極臭氧洞和全球臭氧層減薄
我們已經(jīng)知道，在多種溫室氣體之中，有一種叫氯氟烴。它在大氣中的濃度雖是溫室氣體中最小的，可它卻是造成另一種世界環(huán)境災(zāi)難--南極臭氧洞和全球臭氧層減薄的元兇。
臭氧是我們?nèi)粘：粑难鯕獾耐值?。不過它不是由兩個氧原子，而是由三個氧原子組成的。在一般溫度下，為氣體狀態(tài)，呈淺藍色。它在大氣中屬微量氣體，總量只占大氣的百萬分之0.4，而且90％以上集中在10-50公里的高層大氣之中。全球大氣中臭氧總量雖然約有30億噸，可是如果把臭氧氣體統(tǒng)統(tǒng)壓縮到地面大氣壓力情況下，單位面積上的臭氧層厚度只有薄薄的3毫米。
地球生命的保護傘
千萬可別小看了這薄薄3毫米的臭氧層，它可是地球上一切生物包括人類在內(nèi)的生命保護神??！因為它可以吸收掉太陽輻射中對地球生命致命的紫外線。原來，在太陽光譜中，按波長從短到長可以分為三個部分，即紫外線、從紫到紅的可見光和紅外線。紫外線和紅外線都是看不見的。紫外線又可分為三個部分，其中波長最長也就是長于320納米的稱為紫外線A，波長290-320納米稱為紫外線B，波長短于290納米，也就是整個太陽光譜中波長最短的部分稱為紫外線C。紫外線C可以殺死地面上一切生命，所幸這部分紫外線被高空臭氧層完完全全地吸收掉了。紫外線B只可以嚴重損傷地球生命，但其中波長最短的有害部分基本上也被臭氧層所吸收。紫外線A對人類是有益的。例如，可以殺菌以及使人體內(nèi)轉(zhuǎn)化合成維生素D，防止佝僂病等。瞧，有害的吸收掉了，有益的保存了下來，大自然為人類設(shè)計得多么巧妙?？墒?，恰恰是人類自己卻制造出了氯氟烴等氣體破壞臭氧層，自毀長城，闖下了又一個不可饒恕的彌天大禍。
南極出現(xiàn)臭氧洞
前面說過，地球大氣臭氧層厚度在一個大氣壓下是3個毫米。科學(xué)家們把它稱為300個多布森單位。但各個緯度上臭氧總量是有差異的，赤道地區(qū)相對最小，不到260個多布森單位。從赤道向高緯，臭氧總量逐漸增加，在副極地達到相對最大值，平均約400個多布森單位。這主要是因為，高空臭氧是在低緯度上空強烈陽光下合成以后不斷向高緯度輸送的結(jié)果。
1985年，人們未曾預(yù)料到的事情發(fā)生了。這一年英國的南極科學(xué)家喬福曼等人根據(jù)英國哈利灣南極站30年臭氧觀測資料，首次發(fā)表1980-1984年間南極上空每年春季10月臭氧含量比過去有大幅度下降。這一事件引起了美國國家航空和航天管理局理查德斯多拉斯基的興趣，他們對衛(wèi)星觀測的浩繁數(shù)據(jù)進行了分析，證實了這個事實，并且形象地提出了臭氧洞的概念。因為全球其他地區(qū)臭氧量并沒有顯著減少，相對來說，南極地區(qū)臭氧層就好像出現(xiàn)了一個洞。所以實際上并不是說南極春季臭氧洞中一點臭氧都沒有。后來，世界氣象組織為了消除混亂統(tǒng)一了標準，建議規(guī)定大氣中臭氧總量減少到200個多布森單位以下，才稱為出現(xiàn)了臭氧洞。
按照這個標準，南極上空春季臭氧總量，雖然70年代末已經(jīng)明顯開始減少，但是要到1982年10月才首次出現(xiàn)低于200個多布森單位的臭氧洞。后來，南極臭氧洞面積越來越大，洞越來越深。1998年10月13日《科技日報》報道，據(jù)美國兩顆衛(wèi)星探測，1998年9月19日南極臭氧洞面積達到了創(chuàng)紀錄的2720平方公里，比1996年最大時又擴大了130萬平方公里，已比整個北美洲面積還大。在南美洲，臭氧洞的邊緣已經(jīng)向北擴展到南緯40左右。1998年9月30日南極臭氧洞中心臭氧總量降到了90個多布森單位，只比1994年9月28日的最高紀錄88個多布森單位高2個多布森單位。臭氧層耗損最大的層次一般在14一18公里，1998年9月向上延伸到了21公里。
一般來說，每年8月中下旬開始南極臭氧含量開始減少，9月下旬減少速度明顯加快，并開始出現(xiàn)臭氧洞。一般在10月上旬前后臭氧洞達到最深，面積達到最大。然后慢慢恢復(fù)增加，一般11月底或12月初迅速恢復(fù)到正常數(shù)值，即280-300個多布森單位。
南極出現(xiàn)了臭氧洞，北極怎么樣呢？1989年科學(xué)考察表明，北極地區(qū)臭氧層破壞也相當(dāng)嚴重，一般平均減少10％-25％，但還沒有達到出現(xiàn)臭氧洞的水平。中緯度地區(qū)一般降低8％-10％左右。據(jù)觀測，我國北京近20年來減少了4％。為什么北極沒有出現(xiàn)臭氧洞？這是因為南北極的地理環(huán)境和大氣環(huán)流形勢都有明顯不同。例如，南極是高原，氣溫比北極低得多；南極有強大的繞極大氣環(huán)流，北極則沒有。所以雖然北極臭氧層耗損還可能繼續(xù)加重，但出現(xiàn)像南極那樣的臭氧洞的可能性不大。不過，由于北極附近中高緯度地區(qū)人煙較為稠密，居住著全世界大部分白種人，而白種人皮膚最易受到紫外線的傷害。因此這里臭氧層減薄的影響，實際上比南極出現(xiàn)臭氧洞的影響還要大。
臭氧洞的危害
全球臭氧層的減薄，南極臭氧洞的出現(xiàn)，會造成哪些危害呢？大體有以下三個方面。
第一方面是對人類健康的影響。長期接受過量的紫外輻射，會引起細胞中脫氧核糖核酸（DNA）改變，細胞自身修復(fù)機能減弱，免疫機能減退，皮膚發(fā)生癌變。強紫外線還會誘發(fā)人體眼球晶狀體混濁，也就是產(chǎn)生白內(nèi)障以至失明。據(jù)估計，臭氧每減少1％，皮膚癌發(fā)病率將增加2％-4％，白內(nèi)障患者將增加0.3％-0.6％。1986年美國環(huán)保局根據(jù)臭氧層臭氧總量每耗減1％，地面紫外線B增加1.5％-2％的定量關(guān)系，做了一個預(yù)測。如果氯氟烴生產(chǎn)和消費不加限制，到2075年，地球臭氧總量將比1985年再耗減25％。全世界人口中將有皮膚癌患者1.5億人，死于皮膚癌者320萬人；眼睛患白內(nèi)障者1800萬人。紫外線造成的人體免疫機能的抑制，還會使許多疾病的發(fā)病率和病情的嚴重程度大大增加。
美國現(xiàn)任副總統(tǒng)戈爾在他1992年出版的一本書中指出，現(xiàn)在世界上至少已有個城市位于南極臭氧洞的邊界之內(nèi)。這就是南美洲南端巴塔哥尼亞地區(qū)的阿根廷城市烏什娃伊亞。阿根廷衛(wèi)生部已向他們正式提出忠告，讓他們在9、10月間盡可能呆在室內(nèi)，不要出門。
第二方面是破壞地球生態(tài)平衡。臭氧層的減薄也會使動物產(chǎn)生白內(nèi)障。在南美洲的南端已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多全盲或接近全盲的動物，例如，兔子、羊、牧羊犬等；在河里能捕到盲魚；野生鳥類會自己飛到居民院內(nèi)或房屋內(nèi)，成為主人飯桌上的美味佳看。當(dāng)?shù)鼐用癯鲩T都要戴墨鏡，衣服遮不著的地方要涂防曬油，否則半小時皮膚就要被曬紅。澳大利亞南部的人們中午前后出門大都撐陽傘。但野生動物沒有自我保護能力且又常在野外，視力不僅易于喪失，而且喪失的結(jié)果意味著喪失生存能力。
強烈的紫外線還會使農(nóng)作物和植物受到損害。通過對300種農(nóng)作物和其他植物的溫室實驗證實，其中65％的作物對紫外線敏感，尤以豆類、甜瓜、芥菜、白菜、土豆、西紅柿、甜菜和大豆最為敏感。由于紫外線增加，它們的產(chǎn)量和質(zhì)量都下降。據(jù)估算，如果臭氧減少25％，大豆僅產(chǎn)量就要降低20％。實驗結(jié)果還表明，樹木（特別是針葉樹）也會受到紫外線的傷害。
紫外線能穿透10-20米深的海水。過量紫外線會使浮游生物，魚苗、蝦、蟹幼體和貝類大量死亡，會造成某些生物滅絕。由于這些生物是海洋食物鏈中重要組成部分，所以最終可以引起海洋生物生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生破壞，更大量的海洋生物死亡，進而影響全球生態(tài)平衡。
第三方面是通過光化學(xué)煙霧惡化近地面大氣環(huán)境。高層大氣中臭氧層減薄使到達地面的紫外線增強。增強的紫外線使城市中汽車尾氣的氮氧化物分解，在較高氣溫下產(chǎn)生以臭氧為主要成分的光化學(xué)煙霧。而臭氧在近地面大氣中是一種有害氣體，會使人的呼吸道和眼睛等器官受到刺激和不同程度的傷害。例如，1943年美國洛杉礬光化學(xué)煙霧事件曾使幾千人住院，其中400多人不治死亡。美國環(huán)保局估計，如高空臭氧層耗減25％，城市光化學(xué)煙霧頻率將增加30％。近地面臭氧還抑制植物光合作用，使葉片褪色，出現(xiàn)病斑甚至壞死、落葉、落花、落果等。1943年美國洛杉礬光化學(xué)煙霧后一夜間城郊蔬菜葉子就由綠變黑，不能食用。
此外，過量紫外線還能加速建筑物、繪畫、雕塑、橡膠制品、塑料的老化過程，降低質(zhì)量，縮短壽命。尤其是在陽光強烈、高溫、干燥氣候下更為嚴重。
臭氧洞的形成原因
其實，早在70年代初許多科學(xué)家就已經(jīng)認識到超音速飛機充斥天空，它們排放出來的氮氧化物和水汽會污染高空大氣，產(chǎn)生有害影響。實驗室研究也證明這兩種氣體都能破壞臭氧分子，即把臭氧分子變?yōu)槠胀ㄑ醴肿?。德國氣象學(xué)家保羅克魯森是指出自然界中氮氧化物可能破壞臭氧層的第一人。
到了1974年美國的舍伍德羅蘭德和馬里奧莫利納研究證明，人類制造的氯氟烴才是破壞地球大氣臭氧層的主要罪魁禍首。正是由于他們的科學(xué)預(yù)言，提醒了世人，使得后來締結(jié)了限制和停止生產(chǎn)氯氟烴類化合物的國際協(xié)定。因此他們?nèi)还餐@得了1995年度的諾貝爾化學(xué)獎。
氯氟烴是本世紀30年代由美國杜邦公司發(fā)明的一族人造化學(xué)制品。它們性能穩(wěn)定，不燃燒，無毒，無腐蝕性，價格又便宜，因此在許多工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用作發(fā)泡、致冷、噴霧、殺蟲、滅火、清洗、消毒和有機溶劑。世界年產(chǎn)量由30年代初的3000噸迅速上升到1989年的160萬噸。不過，正是由于它們性質(zhì)穩(wěn)定，它的氣體狀態(tài)在大氣中可以存在100年甚至更長。這樣日積月累，對大氣臭氧層的破壞也就越來越嚴重。
氯氟烴破壞高空臭氧層的具體過程是，它在高空強烈紫外線照射下，氯原子被光解釋放出來。自由的氯原子從臭氧分子中奪取一個氧原子。臭氧分子失去一個氧原子后變成一個普通氧分子。而一氧化氯分子是很不穩(wěn)定的，空中游離的氧原子可以從一氧化氯分子中奪取氧原子而變成普通氧分子。而同時氯原子又再次游離出來，去重復(fù)上述過程，破壞第二個臭氧分子。這種過程可以重復(fù)上萬次。這就是問題嚴重性所在。早在1974年科學(xué)家就曾預(yù)言，如果氯氟烴生產(chǎn)仍以每年22％的速度增加，并最終完全釋放到大氣中，那么到1995年全球臭氧總量將下降5％。后來的衛(wèi)星和地面觀測資料都證實了這個預(yù)言。為了研究臭氧洞的成因，國際上在1987年（因為這年的臭氧洞比前些年都大）組織了一個大規(guī)模的研究計劃--南極臭氧空中實驗。飛機曾多次進入臭氧洞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)臭氧洞內(nèi)氯的含量比預(yù)期數(shù)量還要高出20-50倍之多。這個事實為氯氟烴破壞臭氧層的理論提供了直接依據(jù)。
那么為什么臭氧洞只出現(xiàn)在南極，或者說為什么南極的臭氧量下降得特別多呢？
原來，在冬季半年里，南極上空有一個深厚的渦旋，氣流沿著南極高原作順時針旋轉(zhuǎn)，把南極大陸封閉起來。從赤道來的富含臭氧的氣流進不了南極上空。而在旋渦中上升的空氣，因為上升過程中氣溫下降的速度要比實際大氣中溫度隨高度分布的速度快得多。加上南極高原本來就海拔高氣溫低，因而形成極低的低溫環(huán)境。臭氧層所在的20公里高度上氣溫常常在－80℃以下（比北極要低得多）。南極大氣渦旋中的空氣上升過程中還會生成大量的冰晶云，云中的冰晶不斷吸收氯氟烴氣體，濃度越來越高。一旦南極春季（9月）來臨，極夜結(jié)束，陽光照射下冰晶云升溫，氯氟烴氣體迅速釋放。而氯氟烴分子在紫外線照射下開始釋放氯原子上面講過的臭氧層受到破壞的過程立即開始，臭氧層因大量損耗臭氧而出現(xiàn)臭氧洞。一旦春末南極旋渦殘缺或破壞消失，大量富含臭氧的赤道南下的新鮮空氣進入南極上空，臭氧洞于是便又匆匆消失。
成功的國際合作
地球大氣臭氧總量的減少，南極臭氧洞的出現(xiàn)，引起了科學(xué)界、社會公眾和各國政府的憂慮和重視。他們認識到必須由國際社會共同制訂全球性控制氯氟烴排放的有效措施，以保護臭氧層這個地球生態(tài)系統(tǒng)的天然保護傘。
聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署早在1977年就成立了有關(guān)臭氧層保護的協(xié)調(diào)委員會，定期進行科學(xué)評估。1981年更成立了一個特別小組來考慮起草有關(guān)全球公約。由于這些努力，終于在1985年在維也納簽署了《保護臭氧層維也納公約》?！豆s》明確指出了大氣臭氧層損耗對人類健康和環(huán)境可能造成的危害，呼吁各國政府采取合作行動保護臭氧層，并首次明確提出氯氟烴類物質(zhì)應(yīng)作為被監(jiān)控生產(chǎn)和使用的化學(xué)品。
為了使公約進一步落到實處，環(huán)境規(guī)劃署1987年9月又在加拿大蒙特利爾組織簽署了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》。議定書進一步對氯氟烴類物質(zhì)的生產(chǎn)、使用和貿(mào)易作出了具體時間規(guī)定。這個議定書已于1989年1月1日起生效。議定書要求，在此后10年中，發(fā)達國家必須削減其氯氟烴物質(zhì)1986年消耗水平的50％，發(fā)展中國家則允許限量增加氯氟烴類物質(zhì)的使用。
1990、1992和1995年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署又分別在倫敦、哥本哈根和維也納召開了議定書締約國會議，對議定書進行了3次修正，使禁用期限不斷提前。
共同的切身利益，使國際社會的共同努力取得了豐碩的成果。發(fā)達國家已于1996年基本停止生產(chǎn)和使用消耗臭氧層物質(zhì)。到1995年止，全球消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)和消費已減少了近70％。因此保護臭氧層的國際行動被稱為迄今最成功的全球性環(huán)境保護條約。這個條約如果能夠完全實行，地球大氣中消耗臭氧層物質(zhì)總量大約在21世紀初達到高峰，然后逐漸緩慢下降，并于2050-2070年恢復(fù)到過去正常水平。
1995年是《保護臭氧層維也納公約》簽訂10周年，1995年9月16日是關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的《蒙特利爾議定書》簽訂8周年紀念日，因此聯(lián)合國大會決定，從1995年起，每年的9月16日定為國際保護臭氧層日。1998年9月16日的宣傳主題是：為了地球上的生命，請購買有益于臭氧層的產(chǎn)品。
根據(jù)1996年11月召開的《議定書》第8次締約國會議規(guī)定，發(fā)展中國家1999年消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)和消費量應(yīng)該凍結(jié)在1995-1997年3年平均的水平上。由于發(fā)達國家已經(jīng)于1996年停止生產(chǎn)這類物質(zhì)，因此我國目前成了世界上消耗臭氧層物質(zhì)生產(chǎn)和消費量最大的國家。而且，由于我國經(jīng)濟高速發(fā)展，這類物質(zhì)的需要量還呈上升趨勢。不過盡管形勢如此嚴峻，我國九五期間還是下決心制定出了更高的奮斗目標：到2000年（九五結(jié)束）我國消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)量和消費量將在1996年基礎(chǔ)上削減50％，而且保證消耗臭氧層物質(zhì)的替代產(chǎn)品國產(chǎn)化。
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