認(rèn)識(shí)臭氧層危機(jī)

雖然臭氧洞出現(xiàn)得地方是在遙遠(yuǎn)的南極，但其實(shí)世界各地大氣中的臭氧都已日漸稀薄。從皮膚癌到汽車?yán)涿?，臭氧洞不再只是科學(xué)家的研究對(duì)象，或是報(bào)紙上的新聞事件，而是與每個(gè)人都有切身關(guān)系的環(huán)保課題！

引言：一、大氣臭氧量少作用大

1.大氣的組成我們所居住的地球周圍。環(huán)繞著一層大氣。這層大氣的主要成分是氮和氧，約占99%以上。此外，還有少量的氬、二氧化碳、水汽和臭氧(O3)等等。雖然大氣中二氧化碳、水汽和臭氧含量很少，但對(duì)整個(gè)地球氣候的變化卻影響很大。

2.大氣的分層包圍地球的大氣，其特性會(huì)隨高度不同而有許多變化，科學(xué)家便依照氣溫梯度，來劃分大氣的垂直結(jié)構(gòu)。最接近地表的是「對(duì)流層」，其次為「平流層」、「中氣層」和「熱氣層」。熱氣層是大氣的最外圈，大氣愈向外愈稀薄，并沒有一條明顯的界限。由于大氣是受地球重力吸引而環(huán)繞在地球四周，因此離地表越近，空氣密度越高，大約90%的空氣都聚集在離地表30公里的范圍之內(nèi)；到了離地100公里處，大氣密度已不及海平面的百萬分之一，故若與地球半徑約6370公里相比，大氣的確只有薄薄一層而已。

3.臭氧層及其作用平流層的位置大約在離地10~50公里處，但大氣中的臭氧絕大部分都集中在離地面大約25~30公里的上平流層中，稱為「臭氧層」。名雖為一層，但實(shí)際上臭氧分布各地并不均勻，而且大氣中臭氧的總含量非常少，尚不到1ppm。這極薄的一層臭氧，對(duì)于地球上的生命非常常重要，因?yàn)槌粞跄芪贞柟庵械淖贤饩€，將這些波長(zhǎng)很短，而且有致命危險(xiǎn)的輻射線，轉(zhuǎn)換成熱能，只有極少量能到達(dá)地表。紫外線會(huì)破壞包括DNA在內(nèi)的生物分子，增加罹患皮膚癌、白內(nèi)障的機(jī)率，而且和許多免疫系統(tǒng)疾病有關(guān)。此外，紫外線對(duì)于農(nóng)作物，甚至海洋生態(tài)系都會(huì)造成負(fù)面影響。然而這層重要的臭氧已經(jīng)受到嚴(yán)重破壞，而且情形一年比一年惡化。二、全球臭氧普遍減少科學(xué)家大約在10年前，就已實(shí)際觀測(cè)到臭氣層的「破洞」。公元1985年，英國(guó)南極觀測(cè)站(BritishAntarcticSurvey)的科學(xué)家法曼(JosephC.Farman)等人發(fā)現(xiàn)，從1977~1984年，南極郝利灣(HalleyBay)上空，春季時(shí)的大氣臭氧含量大約減少了40%以上。其它研究團(tuán)體也迅速證實(shí)了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，并指出臭氧量急遽減少的這塊區(qū)域，其面積甚至大于南極大陸，高度則是介于12~24公里之間的平流層。這就是所謂的「臭氧洞」(ozonehole)。

臭氣洞其實(shí)并不是真正有個(gè)「洞」，而只是表示臭氧含量反常稀少的區(qū)域。雖然科學(xué)已經(jīng)知道CFCs(chloroflurocaaarbons，氟氯碳化物)是造成臭氧洞的主要原因，但是由于南極地區(qū)特殊的氣候型態(tài)，使科學(xué)家相信，南極臭氧洞應(yīng)是平流層化學(xué)反應(yīng)與大氣環(huán)流變化等多種因素交互作用下的結(jié)果。

然而，不僅是南極，北極上空平流層的臭氧，也發(fā)現(xiàn)有在冬季減少，形成類似臭氧洞的現(xiàn)象。尤有甚者，根據(jù)世界各地地面站和人造衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，長(zhǎng)期以來，全球除熱帶地區(qū)之外的大部分區(qū)域，平流層臭氧都有稀薄化的傾向。

三、南極臭氧連創(chuàng)新低

長(zhǎng)期以來的觀測(cè)紀(jì)錄顯示，從1991年開始，南極上的臭氧含量每年都創(chuàng)下新的最低紀(jì)錄。1991年9月30日為162D.U.，11月8日為191D.U.，每個(gè)月都是歷年來的最低值。

D.U.(DobsonUnit)是代表大氣單位面積中臭氧含量的單位，以matm-cm(milliatm-centimeter)表示。在o℃，1大氣壓標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1D.U.相當(dāng)于百分之一厘米。

四、罪魁禍?zhǔn)證FCs

兩位加州大學(xué)爾汶分校(U.C.Irvine)的化學(xué)家─莫里納(MarioJ.Molina)和羅蘭德(F.SherwoodRowland)，雜志上的一篇文章。他們兩人在文章中明白指出：完全由人工合成的「氟氯碳化物」(CFCs)，由于工業(yè)上應(yīng)用范圍廣泛，所以在過去的50年間，排放在大氣中的量已經(jīng)相當(dāng)可觀，而且它非常安定，生命期長(zhǎng)達(dá)40~150年，因此會(huì)在大氣中不斷累積，最后將上升至平流層，在這里因受紫外線照射而分解產(chǎn)生氯原子，活潑的氯原子會(huì)與臭氧反應(yīng)，使臭氧分解消失。莫里納和羅蘭德并強(qiáng)調(diào)，平流層所能接納的氯相當(dāng)有限，而且即使大幅降低CFCs的使用量，大氣也需要一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能減緩臭氧的分解。

CFCs對(duì)臭氧的威脅，很快就引起大眾傳播媒體的重視。先是《紐約時(shí)報(bào)》，再是《時(shí)代》雜志，都對(duì)CFCs破壞臭氧層的消息做大篇幅的報(bào)導(dǎo)。原本是工業(yè)寵兒的CFCs，現(xiàn)在已成為惡昭彰的臭氧殺手。五、CFCs性質(zhì)穩(wěn)定不易分解

氟氯碳化物(CFCs)，顧名思義，即是含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的化合物。CFCs的應(yīng)用范圍極為廣泛，可作為汽和冰箱等冷凍空調(diào)的冷媒、電子和光學(xué)組件的清洗溶劑、化妝品等噴霧劑，以及PU、PS、PE的發(fā)泡劑等等。

從1930年代合成初期開始，CFCs在全球各工業(yè)國(guó)家的使用量便不斷增加，主要因?yàn)镃FCs的化學(xué)性質(zhì)非常安定，不可燃且無毒性，故過去一直被認(rèn)為安全又理想的化學(xué)物質(zhì)，廠商大量制造，使用者也任其擴(kuò)散至大氣中。

五、CFCs性質(zhì)穩(wěn)定不易分解

由于世界各主要工業(yè)國(guó)家多位北半球，因此北半球大氣中CFCs的平均濃度較南半球?yàn)楦摺FCs逸出后會(huì)在大氣中迅速擴(kuò)散，但南北兩半球的大氣，要穿越赤道完全混合，需時(shí)約2年。北半球大氣中CFCs的平均年增率為4~5%，而南半球CFCs的平均濃度則較北半球約低8~10%，故南半球的CFCs大約也剛好是以落后北半球2年的時(shí)間，而以相同的速率在增加中。

積存在對(duì)流層的大量CFCs，會(huì)隨著大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)入對(duì)流層。對(duì)流層的最上部是「對(duì)流層頂」(Tropopause)，對(duì)流層頂?shù)母叨雀鞯夭⒉幌嗤瑫?huì)因季節(jié)和緯度而異，以在赤道附近最高，約達(dá)18公里；在高緯度而異，以在赤道附近最高，約達(dá)18公里；在高緯度的兩極，則只有約8公里，而且夏季比冬季時(shí)略高。由于各地對(duì)流層高度不同，在緯度30度左右的副熱帶地區(qū)，會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的現(xiàn)象，「對(duì)流層頂缺口」。在這個(gè)缺口處，上下層空氣混合非常強(qiáng)烈，CFCs等物質(zhì)便因而趁隙進(jìn)入平流層。五、CFCs性質(zhì)穩(wěn)定不易分解

六、平流層中的臭氧反應(yīng)

CFCs所以會(huì)對(duì)臭氣層造成如此嚴(yán)重的傷害，主要關(guān)鍵就在其所含的「氯」(Cl)?？茖W(xué)家估計(jì)，由CFCs所釋出的1個(gè)氯原子，只要數(shù)個(gè)月的時(shí)間，就能使大約10萬個(gè)臭氧分子消失。

在正常狀況下，平流層中的臭氧分子，是處于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。高層大氣中的氧分子(O2)吸收紫外線，分解成活潑的氧原子(O)：

O2+hv→O+O

氧原子再與鄰近的氧分子反應(yīng)生成臭氧：O+O2→O3

臭氧也會(huì)因受強(qiáng)烈紫外線照射而分解，生成氧原子和氧分，或是與活潑的氧原子作用形成氧分子：

O3+hv→O2+OO3+O→O2+O2

臭氧就在這些反應(yīng)中不斷生成與分解，維持著微妙但脆弱的平衡。

氯則會(huì)破壞這種平衡。CFCs在平流層受強(qiáng)烈紫外線照射而分解產(chǎn)生氯，氯會(huì)與臭氧反應(yīng)，生成氧化氯自由基(ClO)：

Cl+O3→ClO+O2

帶有自由基的ClO非常活潑，若與同樣活潑的氧原子反應(yīng)，便生成氯和較安定的氧分子：

ClO+O→Cl+O2

而這個(gè)被釋出的氯，又可以再與臭氧反應(yīng)，因此氯一方面能夠不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應(yīng)中再生。

但過去有些研究認(rèn)為CFCs對(duì)臭氧的破壞有限，那是因?yàn)槁群虲lO也會(huì)和大氣中的其它成分作用，而生成不會(huì)破壞臭氧的化合物。其中氯會(huì)與甲烷(CH4)作用生成氫氯酸(HCl)，ClO則會(huì)與二氧化氮(NO2)作用，生成硝酸氯(ClONO2)。HCl和ClONO2被稱為「氯貯存物質(zhì)」(chlorinereservoirs)，因?yàn)樗鼈儽旧聿粫?huì)與臭氧反應(yīng)，但在某些狀況下卻可以釋出能破壞臭氧的氯。七、臭氧減少使UV-B大增

平流層臭氧會(huì)吸收紫外線(ultraviolet,UV)，倘若臭氧減少，紫外線的照射強(qiáng)度自然會(huì)增強(qiáng)。

在電磁波譜中，波長(zhǎng)在200~300mm(毫微米，1nm=10-9m)之間的屬于「近紫外線」，波長(zhǎng)在10~200mm之間的屬于「遠(yuǎn)紫外線」。近紫外線可分為A、B、C三種，其中以波長(zhǎng)在280~315mm的「紫外線B」(UV-B)對(duì)生物危害最大。

UV-B的強(qiáng)度，會(huì)隨著時(shí)間、地點(diǎn)不同而異。通常夏季較冬季強(qiáng)，低緯度比高緯度地區(qū)強(qiáng)，而高海拔則比低海拔地區(qū)強(qiáng)。但無論如何，大氣中臭氧減少，全球各地的UV-B都會(huì)增強(qiáng)。據(jù)估計(jì)，臭氧若減少1%，UV-B大約就會(huì)增加2%；而在出現(xiàn)臭氧洞的南極地區(qū)，臭氧大量減少的結(jié)果，已使紫外線量加倍增加。

紫外線增加對(duì)人類健康所造成的危害，以皮膚癌最為人熟知，而且為害最廣。皮膚癌的罹患率與人種和緯度有關(guān)，例如同為10萬人口的地區(qū)，美國(guó)德州就有100人以上罹患皮膚癌，瑞典為5~20人，而日本只有5人以下。換言之，一般以白種人的罹患率最高，居住地區(qū)則愈近赤道罹患率愈高。根據(jù)聯(lián)合國(guó)相關(guān)組織的統(tǒng)計(jì)資料顯示：大氣總臭氧量若減少10%，皮膚癌的罹患率將增加26%，且每年全世界將新增加30萬名以上的皮膚癌患者。

紫外線能導(dǎo)致白內(nèi)障眼晴在強(qiáng)烈紫外線照射下，會(huì)使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結(jié)膜充血的結(jié)膜炎，最嚴(yán)重的則是白內(nèi)障。白內(nèi)障的病因是水晶體發(fā)生混濁，使視力逐漸衰退，雖然不會(huì)產(chǎn)生疼痛，但嚴(yán)重時(shí)仍有失明之虞。經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，不僅強(qiáng)烈紫外線照射會(huì)引起白內(nèi)障，即便是普通強(qiáng)度的紫外線，若是一再反復(fù)照射，亦會(huì)漸漸發(fā)生白內(nèi)障。據(jù)估計(jì)，大氣總臭氧量若減少10%，全世界將產(chǎn)生160~175萬名新白內(nèi)障患者。

除此之外，紫外線還會(huì)破壞免疫系統(tǒng)，減弱人體對(duì)病毒和病原菌的抵抗力，使更容易罹患如疹等傳染性疾病。

既然紫外線會(huì)影響人體健康，自然也會(huì)影響其它生物。紫外線之所以會(huì)損害皮膚、眼晴及免疫系統(tǒng)，是因?yàn)樽贤饩€能破壞人體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸，由于核酸和蛋白質(zhì)是所有生物細(xì)胞組成不可或缺的要素，因此紫外線的增加，對(duì)整個(gè)地球生態(tài)系都會(huì)有嚴(yán)重影響。紫外線破壞地球生態(tài)

由加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的海洋生物學(xué)家裴澤林(BarbaraPrezelin)，以及地理學(xué)家史密斯(RaymondSmith)所率領(lǐng)的一組研究人員，曾以6星期的時(shí)間，在南極半島外的百令豪生海(BellingshausenSea)進(jìn)行追蹤調(diào)查，以評(píng)估臭氧洞對(duì)該海域生態(tài)的影響。

他們發(fā)現(xiàn)，由于臭氧洞有季節(jié)性消長(zhǎng)的現(xiàn)象，因此穿透大氣照射到海面的UV-B，也會(huì)隨之而有強(qiáng)弱變化。影響所及，在臭氧洞涵蓋范圍之內(nèi)海域生活的浮游植物(phytoplankton)，光合作用速率將降低約6~12%。由于浮游植物生長(zhǎng)趨緩，將造成食物鏈中斷的危機(jī)。此外，光合速率降低亦表示二氣化碳吸收量會(huì)減少，使地球溫室效應(yīng)惡化。

美國(guó)馬里蘭大學(xué)曾經(jīng)針對(duì)200種農(nóng)作物進(jìn)行研究，在溫室內(nèi)觀察紫外線照射的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約有三分之二的種類，會(huì)有生長(zhǎng)遲緩的反應(yīng)。同時(shí)，該校的科學(xué)家也曾在大豆田中安裝紫外線燈，以連續(xù)6年的時(shí)間追蹤觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)UV-B會(huì)使大豆的成長(zhǎng)遲滯，因而減少收獲量。其它研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，西紅柿、玉米、萵苣、豌豆、棉花等作物，在紫外線的照射下，都會(huì)產(chǎn)生類似生長(zhǎng)遲緩的現(xiàn)象。

由于紫外線會(huì)改變植物體內(nèi)的化學(xué)變化，因此不僅農(nóng)作物的生長(zhǎng)受到影響，與植物關(guān)系密切的昆蟲和草食動(dòng)物都將遭到波及。甚至森林中枯枝枯葉形成的腐殖質(zhì)，成分都會(huì)有所改變。臭氧洞如此牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響，勢(shì)將危及整個(gè)地球生態(tài)環(huán)境的平衡。八、保護(hù)臭氧層為全球共識(shí)

由于國(guó)際社會(huì)體認(rèn)到CFCs等「臭氧層破壞物質(zhì)」(ODSs,ozone-depletingsubstances)，已對(duì)臭氧層造成嚴(yán)重破壞，以及臭氧層對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的重要性，「聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署」(UNEP,theUnitedNationsEnvironmentProgramme)遂于1985年召集世界各國(guó)共商對(duì)策，簽訂保護(hù)臭氧層的「維也納協(xié)議」(theViennaConvention)，但「維也納協(xié)議」并不具強(qiáng)制性。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，1987年9月，共有27個(gè)國(guó)家簽署極具象征與實(shí)質(zhì)意義的「蒙特利爾議定書」(theMontrealProtocol)?！该商乩麪栕h定書」強(qiáng)制規(guī)定締約國(guó)，至1990年時(shí)，CFCs的使用量必須降至1986年使用量的50%。

之后，「蒙特利爾議定書」的管制措施便不斷修訂，管制范圍擴(kuò)大，削滅時(shí)程縮短，同時(shí)締約國(guó)的數(shù)目也不斷增加。1992年11月23~25日，于丹麥哥本哈根舉行的蒙特婁議定書第4次締約國(guó)會(huì)議，就有超過100個(gè)國(guó)家參加，并將全面禁用CFCs的時(shí)間提前至1996年1月1日。

九、積極研發(fā)CFCs替代品

隨著CFCs削減時(shí)程的提前，使得CFCs替代品的研發(fā)工作愈益蓬勃。目前，許多國(guó)際知名的化學(xué)公司，如杜邦(