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南极臭氧洞和全球臭氧层减薄
南极臭氧洞和全球臭氧层减薄
我们已经知道，在多种温室气体之中，有一种叫氯氟烃。
它在大气中的浓度虽是温室气体中最小的，可它却是造成另一种世界环境灾难--南极臭氧洞和全球臭氧层减薄的元凶。
臭氧是我们日常呼吸的氧气的同胞兄弟。
不过它不是由两个氧原子，而是由三个氧原子组成的。
在一般温度下，为气体状态，呈浅蓝色。
它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。
全球大气中臭氧总量虽然约有30亿吨，可是如果把臭氧气体统统压缩到地面大气压力情况下，单位面积上的臭氧层厚度只有薄薄的3毫米。
地球生命的保护伞
千万可别小看了这薄薄3毫米的臭氧层，它可是地球上一切生物包括人类在内的生命保护神啊！
因为它可以吸收掉太阳辐射中对地球生命致命的紫外线。
原来，在太阳光谱中，按波长从短到长可以分为三个部分，即紫外线、从紫到红的可见光和红外线。
紫外线和红外线都是看不见的。
紫外线又可分为三个部分，其中波长最长也就是长于320纳米的称为紫外线A，波长290-320纳米称为紫外线B，波长短于290纳米，也就是整个太阳光谱中波长最短的部分称为紫外线C。
紫外线C可以杀死地面上一切生命，所幸这部分紫外线被高空臭氧层完完全全地吸收掉了。
紫外线B只可以严重损伤地球生命，但其中波长最短的有害部分基本上也被臭氧层所吸收。
紫外线A对人类是有益的。
例如，可以杀菌以及使人体内转化合成维生素D，防止佝偻病等。
瞧，有害的吸收掉了，有益的保存了下来，大自然为人类设计得多么巧妙。
可是，恰恰是人类自己却制造出了氯氟烃等气体破坏臭氧层，自毁长城，闯下了又一个不可饶恕的弥天大祸。
南极出现臭氧洞
前面说过，地球大气臭氧层厚度在一个大气压下是3个毫米。
科学家们把它称为300个多布森单位。
但各个纬度上臭氧总量是有差异的，赤道地区相对最小，不到260个多布森单位。
从赤道向高纬，臭氧总量逐渐增加，在副极地达到相对最大值，平均约400个多布森单位。
这主要是因为，高空臭氧是在低纬度上空强烈阳光下合成以后不断向高纬度输送的结果。
1985年，人们未曾预料到的事情发生了。
这一年英国的南极科学家乔福曼等人根据英国哈利湾南极站30年臭氧观测资料，首次发表1980-1984年间南极上空每年春季10月臭氧含量比过去有大幅度下降。
这一事件引起了美国国家航空和航天××局理查德斯多拉斯基的兴趣，他们对卫星观测的浩繁数据进行了分析，证实了这个事实，并且形象地提出了臭氧洞的概念。
因为全球其他地区臭氧量并没有显著减少，相对来说，南极地区臭氧层就好像出现了一个洞。
所以实际上并不是说南极春季臭氧洞中一点臭氧都没有。
后来，世界气象组织为了消除混乱统一了标准，建议规定大气中臭氧总量减少到200个多布森单位以下，才称为出现了臭氧洞。
按照这个标准，南极上空春季臭氧总量，虽然70年代末已经明显开始减少，但是要到1982年10月才首次出现低于200个多布森单位的臭氧洞。
后来，南极臭氧洞面积越来越大，洞越来越深。
2019年10月13日《科技日报》报道，据美国两颗卫星探测，2019年9月19日南极臭氧洞面积达到了创纪录的2720平方公里，比2019年最大时又扩大了130万平方公里，已比整个北美洲面积还大。
在南美洲，臭氧洞的边缘已经向北扩展到南纬40左右。
2019年9月30日南极臭氧洞中心臭氧总量降到了90个多布森单位，只比1994年9月28日的最高纪录88个多布森单位高2个多布森单位。
臭氧层耗损最大的层次一般在14一18公里，2019年9月向上延伸到了21公里。
一般来说，每年8月中下旬开始南极臭氧含量开始减少，9月下旬减少速度明显加快，并开始出现臭氧洞。
一般在10月上旬前后臭氧洞达到最深，面积达到最大。
然后慢慢恢复增加，一般11月底或12月初迅速恢复到正常数值，即280-300个多布森单位。
南极出现了臭氧洞，北极怎么样呢？
1989年科学考察表明，北极地区臭氧层破坏也相当严重，一般平均减少10％-25％，但还没有达到出现臭氧洞的水平。
中纬度地区一般降低8％-10％左右。
据观测，我国北京近20年来减少了4％。
为什么北极没有出现臭氧洞？
这是因为南北极的地理环境和大气环流形势都有明显不同。
例如，南极是高原，气温比北极低得多；南极有强大的绕极大气环流，北极则没有。
所以虽然北极臭氧层耗损还可能继续加重，但出现像南极那样的臭氧洞的可能性不大。
不过，由于北极附近中高纬度地区人烟较为稠密，居住着全世界大部分白种人，而白种人皮肤最易受到紫外线的伤害。
因此这里臭氧层减薄的影响，实际上比南极出现臭氧洞的影响还要大。
臭氧洞的危害
全球臭氧层的减薄，南极臭氧洞的出现，会造成哪些危害呢？
大体有以下三个方面。
第一方面是对人类健康的影响。
长期接受过量的紫外辐射，会引起细胞中脱氧核糖核酸（DNA）改变，细胞自身修复机能减弱，免疫机能减退，皮肤发生癌变。
强紫外线还会诱发人体眼球晶状体混浊，也就是产生白内障以至失明。
据估计，臭氧每减少1％，皮肤癌发病率将增加2％-4％，白内障患者将增加0.3％-0.6％。
1986年美国××局根据臭氧层臭氧总量每耗减1％，地面紫外线B增加1.5％-2％的定量关系，做了一个预测。
如果氯氟烃生产和消费不加限制，到2075年，地球臭氧总量将比1985年再耗减25％。
全世界人口中将有皮肤癌患者1.5亿人，死于皮肤癌者320万人；眼睛患白内障者1800万人。
紫外线造成的人体免疫机能的抑制，还会使许多疾病的发病率和病情的严重程度大大增加。
美国现任副总统戈尔在他1992年出版的一本书中指出，现在世界上至少已有个城市位于南极臭氧洞的边界之内。
这就是南美洲南端巴塔哥尼亚地区的阿根廷城市乌什娃伊亚。
阿根廷卫生部已向他们正式提出忠告，让他们在9、10月间尽可能呆在室内，不要出门。
第二方面是破坏地球生态平衡。
臭氧层的减薄也会使动物产生白内障。
在南美洲的南端已经发现许多全盲或接近全盲的动物，例如，兔子、羊、牧羊犬等；在河里能捕到盲鱼；野生鸟类会自己飞到居民院内或房屋内，成为主人饭桌上的美味佳看。
当地居民出门都要戴墨镜，衣服遮不着的地方要涂防晒油，否则半小时皮肤就要被晒红。
澳大利亚南部的人们中午前后出门大都撑阳伞。
但野生动物没有自我保护能力且又常在野外，视力不仅易于丧失，而且丧失的结果意味着丧失生存能力。
强烈的紫外线还会使农作物和植物受到损害。
通过对300种农作物和其他植物的温室实验证实，其中65％的作物对紫外线敏感，尤以豆类、甜瓜、芥菜、白菜、土豆、西红柿、甜菜和大豆最为敏感。
由于紫外线增加，它们的产量和质量都下降。
据估算，如果臭氧减少25％，大豆仅产量就要降低20％。
实验结果还表明，树木（特别是针叶树）也会受到紫外线的伤害。
紫外线能穿透10-20米深的海水。
过量紫外线会使浮游生物，鱼苗、虾、蟹幼体和贝类大量死亡，会造成某些生物灭绝。
由于这些生物是海洋食物链中重要组成部分，所以最终可以引起海洋生物生态系统发生破坏，更大量的海洋生物死亡，进而影响全球生态平衡。
第三方面是通过光化学烟雾恶化近地面大气环境。
高层大气中臭氧层减薄使到达地面的紫外线增强。
增强的紫外线使城市中汽车尾气的氮氧化物分解，在较高气温下产生以臭氧为主要成分的光化学烟雾。
而臭氧在近地面大气中是一种有害气体，会使人的呼吸道和眼睛等器官受到刺激和不同程度的伤害。
例如，1943年美国洛杉矾光化学烟雾事件曾使几千人住院，其中400多人不治死亡。
美国××局估计，如高空臭氧层耗减25％，城市光化学烟雾频率将增加30％。
近地面臭氧还抑制植物光合作用，使叶片褪色，出现病斑甚至坏死、落叶、落花、落果等。
1943年美国洛杉矾光化学烟雾后一夜间城郊蔬菜叶子就由绿变黑，不能食用。
此外，过量紫外线还能加速建筑物、绘画、雕塑、橡胶制品、塑料的老化过程，降低质量，缩短寿命。
尤其是在阳光强烈、高温、干燥气候下更为严重。
臭氧洞的形成原因
其实，早在70年代初许多科学家就已经认识到超音速飞机充斥天空，它们排放出来的氮氧化物和水汽会污染高空大气，产生有害影响。
实验室研究也证明这两种气体都能破坏臭氧分子，即把臭氧分子变为普通氧分子。
德国气象学家保罗克鲁森是指出自然界中氮氧化物可能破坏臭氧层的第一人。
到了1974年美国的舍伍德罗兰德和马里奥莫利纳研究证明，人类制造的氯氟烃才是破坏地球大气臭氧层的主要罪魁祸首。
正是由于他们的科学预言，提醒了世人，使得后来缔结了限制和停止生产氯氟烃类化合物的国际协定。
因此他们三位共同获得了2019年度的诺贝尔化学奖。
氯氟烃是本世纪30年代由美国杜邦公司发明的一族人造化学制品。
它们性能稳定，不燃烧，无毒，无腐蚀性，价格又便宜，因此在许多工业生产中广泛用作发泡、致冷、喷雾、杀虫、灭火、清洗、消毒和有机溶剂。
世界年产量由30年代初的3000吨迅速上升到1989年的160万吨。
不过，正是由于它们性质稳定，它的气体状态在大气中可以存在100年甚至更长。
这样日积月累，对大气臭氧层的破坏也就越来越严重。
氯氟烃破坏高空臭氧层的具体过程是，它在高空强烈紫外线照射下，氯原子被光解释放出来。
自由的氯原子从臭氧分子中夺取一个氧原子。
臭氧分子失去一个氧原子后变成一个普通氧分子。
而一氧化氯分子是很不稳定的，空中游离的氧原子可以从一氧化氯分子中夺取氧原子而变成普通氧分子。
而同时氯原子又再次游离出来，去重复上述过程，破坏第二个臭氧分子。
这种过程可以重复上万次。
这就是问题严重性所在。
早在1974年科学家就曾预言，如果氯氟烃生产仍以每年22％的速度增加，并最终完全释放到大气中，那么到2019年全球臭氧总量将下降5％。
后来的卫星和地面观测资料都证实了这个预言。
为了研究臭氧洞的成因，国际上在1987年（因为这年的臭氧洞比前些年都大）组织了一个大规模的研究计划--南极臭氧空中实验。
飞机曾多次进入臭氧洞内，发现臭氧洞内氯的含量比预期数量还要高出20-50倍之多。
这个事实为氯氟烃破坏臭氧层的理论提供了直接依据。
那么为什么臭氧洞只出现在南极，或者说为什么南极的臭氧量下降得特别多呢？
原来，在冬季半年里，南极上空有一个深厚的涡旋，气流沿着南极高原作顺时针旋转，把南极大陆封闭起来。
从赤道来的富含臭氧的气流进不了南极上空。
而在旋涡中上升的空气，因为上升过程中气温下降的速度要比实际大气中温度随高度分布的速度快得多。
加上南极高原本来就海拔高气温低，因而形成极低的低温环境。
臭氧层所在的20公里高度上气温常常在－80℃以下（比北极要低得多）。
南极大气涡旋中的空气上升过程中还会生成大量的冰晶云，云中的冰晶不断吸收氯氟烃气体，浓度越来越高。
一旦南极春季（9月）来临，极夜结束，阳光照射下冰晶云升温，氯氟烃气体迅速释放。
而氯氟烃分子在紫外线照射下开始释放氯原子上面讲过的臭氧层受到破坏的过程立即开始，臭氧层因大量损耗臭氧而出现臭氧洞。
一旦春末南极旋涡残缺或破坏消失，大量富含臭氧的赤道南下的新鲜空气进入南极上空，臭氧洞于是便又匆匆消失。
成功的国际合作
地球大气臭氧总量的减少，南极臭氧洞的出现，引起了科学界、社会公众和各国政府的忧虑和重视。
他们认识到必须由国际社会共同制订全球性控制氯氟烃排放的有效措施，以保护臭氧层这个地球生态系统的天然保护伞。
联合国环境规划署早在1977年就成立了有关臭氧层保护的协调委员会，定期进行科学评估。
1981年更成立了一个特别小组来考虑起草有关全球公约。
由于这些努力，终于在1985年在维也纳签署了《保护臭氧层维也纳公约》。
《公约》明确指出了大气臭氧层损耗对人类健康和环境可能造成的危害，呼吁各国政府采取合作行动保护臭氧层，并首次明确提出氯氟烃类物质应作为被监控生产和使用的化学品。
为了使公约进一步落到实处，环境规划署1987年9月又在加拿大蒙特利尔组织签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。
议定书进一步对氯氟烃类物质的生产、使用和贸易作出了具体时间规定。
这个议定书已于1989年1月1日起生效。
议定书要求，在此后10年中，发达国家必须削减其氯氟烃物质1986年消耗水平的50％，发展中国家则允许限量增加氯氟烃类物质的使用。
1990、1992和2019年，联合国环境规划署又分别在伦敦、哥本哈根和维也纳召开了议定书缔约国会议，对议定书进行了3次修正，使禁用期限不断提前。
共同的切身利益，使国际社会的共同努力取得了丰硕的成果。
发达国家已于2019年基本停止生产和使用消耗臭氧层物质。
到2019年止，全球消耗臭氧层物质的生产和消费已减少了近70％。
因此保护臭氧层的国际行动被称为迄今最成功的全球性环境保护条约。
这个条约如果能够完全实行，地球大气中消耗臭氧层物质总量大约在21世纪初达到高峰，然后逐渐缓慢下降，并于2050-2070年恢复到过去正常水平。
2019年是《保护臭氧层维也纳公约》签订10周年，2019年9月16日是关于消耗臭氧层物质的《蒙特利尔议定书》签订8周年纪念日，因此联合国大会决定，从2019年起，每年的9月16日定为国际保护臭氧层日。
2019年9月16日的宣传主题是：
为了地球上的生命，请购买有益于臭氧层的产品。
根据2019年11月召开的《议定书》第8次缔约国会议规定，发展中国家2019年消耗臭氧层物质的生产和消费量应该冻结在2019-2019年3年平均的水平上。
由于发达国家已经于2019年停止生产这类物质，因此我国目前成了世界上消耗臭氧层物质生产和消费量最大的国家。
而且，由于我国经济高速发展，这类物质的需要量还呈上升趋势。
不过尽管形势如此严峻，我国九五期间还是下决心制定出了更高的奋斗目标：
到2019年（九五结束）我国消耗臭氧层物质的生产量和消费量将在2019年基础上削减50％，而且保证消耗臭氧层物质的替代产品国产化。
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