臭氧層破壞的原因,是以催化的方式進行的

文章作者:快樂相伴 | 2015-12-31
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 臭氧層破壞的原因,立即引起了科學界及整個國際社會的高度重視。科學家需要對這一問題的許多現象和特征進行探索,如臭氧洞為什麼發生在南極地區?為什麼臭氧損耗的規模如此之大?為什麼每年的南極臭氧洞發生在春季?對于這些涉及臭氧損耗的地域性、季節性及其規模的定性和定量研究,是自南極臭氧洞被發現之後的科學熱點。最初對南極臭氧洞的出現有過三種不同的解釋,一種認為,南極臭氧洞的發生是因為對流層的低臭氧濃度的空氣傳輸到達平流層,稀釋了平流層臭氧的濃度;第二種解釋認為,南極臭氧洞是由于宇宙射線的作用在高空生成氮氧化物的結果;此外,美國科學家莫裡納(molina) 和羅蘭德(rowland) 提出,人工合成的一些含氯和含溴的物質是造成南極臭氧洞的元兇,最典型的是氟氯碳化合物(cfcs,俗稱氟裡昂)和含溴化合物哈龍(halons)。越來越多的科學證據否定了前兩種觀點,而證實氯和溴在平流層通過催化化學過程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因。

臭氧層破壞的原因

      臭氧層破壞的原因,氟裡昂和哈龍是怎樣進入平流層,又是如何引起臭氧破壞的呢?就重量而言,人為釋放的cfcs 和halons的分子都比空氣分子重,但這些化合物在對流層是化學惰性的,即使最活潑的大氣組分—自由基對cfcs 和halons的氧化作用也微乎其微,完全可以忽略。因此它們在對流層十分穩定,不能通過一般的大氣化學反應去除。經過一兩年的時間,這些化合物會在全球範圍内的對流層分布均勻,然後主要在熱帶地區上空被大氣環流帶入到平流層,風又将它們從低緯度地區向高緯度地區輸送,在平流層内混合均勻。

      臭氧層破壞的原因,在平流層内,強烈的紫外線照射使cfcs 和halons分子發生解離,釋放出高活性的原子态的氯和溴,氯和溴原子也是自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破壞臭氧層的主要物質,它們對臭氧的破壞是以催化的方式進行的:溴原子自由基也是以同樣的過程破壞臭氧,因此,也是催化劑。據估算,一個氯原子自由基可以破壞104—105個臭氧分子,而由halon釋放的溴原子自由基對臭氧的破壞能力是氯原子的30—60倍。而且,氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協同作用,即二者同時存在時,破壞臭氧的能力要大于二者簡單的加和。但是,上述的均相化學反應并不能解釋南極臭氧洞形成的全部過程。

      臭氧層破壞的原因,深入的科學研究發現,臭氧洞的形成是有空氣動力學過程參與的非均相催化反應過程。所謂非均相,是指大氣中除氣态組分外,還有固相和液相的組分。人們對大氣中存在雲、霧和降雨等早已司空見慣,但這種現象一般發生在對流層。平流層幹燥寒冷,空氣稀薄,較少出現對流層這些天氣現象。但在冬天,南極地區的溫度極低,可以達到零下80 oc, 這樣極端的低溫造成兩種非常重要的過程,一是極地的空氣受冷下沉,形成一個強烈的西向環流,稱為“極地渦旋”(polar vortex)。該渦旋的重要作用是使南極空氣與大氣的其餘部分隔離,從而使渦旋内部的大氣成為一個巨大的反應器。另外,盡管南極空氣十分幹燥,極低的溫度使該地區仍有成雲過程,雲滴的主要成分是三水合硝酸(hno33h2o)和冰晶,稱為極地平流層雲(polar stratospheric clouds)。

      臭氧層破壞的原因,實際上,當cfcs 和halons進入平流層後,通常是以化學惰性的形态(clono2和hcl)而存在,并無原子态的活性氯和溴的釋放。南極的科學考察和實驗室的研究都證明,化學惰性的clono2和hcl 在平流層雲表面會發生以下化學反應生成的hno3 被保留在雲滴相中。當雲滴成長到一定的程度後将會沉降到對流層,與此同時也使hno3從平流層去除,其結果是造成cl2 和hocl 等組分的不斷積累。

      臭氧層破壞的原因,cl2 和hocl 是在紫外線照射下極易光解的分子,但在冬天南極的紫外光極少,cl2 和hocl的光解機會很小。當春天來臨時,陽光返回南極地區,太陽輻射中的紫外射線使cl2 和hocl開始發生大量的光解,産生前述的均相催化過程所需的大量的原子氯,從而造成嚴重的臭氧損耗。氯原子的催化過程可以解釋所觀測到的南極臭氧破壞的約70%,另外,氯原子和溴原子的協同機制可以解釋大約20%。

 

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