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南极上空存在臭氧空洞


自从发现在南极上空存在臭氧空洞以后,为了查实和弄清臭氧层耗减及臭氧空洞形成的原 因, 美国宇航局(NASA)牵头组织了数十个科学家于 1986 年和 1987 年的 9~11 月, 两次赴 南极进行臭氧探险活动, 寻求揭示臭氧空洞形成的机理。 在第二次探险中获得了有效的探测 结果,由此推理出臭氧空洞形成的机理。? 人类所排放的 CFCs 主要在北半球, 其中欧洲、 俄罗斯、 日本和北美洲约占总排放量的 90%。 这种不溶于水和不活泼的 CFCs,前 1~2 年内在整个大气层下部并与大气混合。这种含有 CFCs 的大气从底部向上升腾,一直到达赤道附近的平流层。然后分别流向两极,这样经过 整个平流层的空气几乎都含有相同浓度的 CFCs。 然而由于地球表面的巨大差异, 两极地区的气象状况是完全不同的。 南极是一个非常广阔的 陆地板块(南极洲), 周围又完全被海洋所包围, 这种自然条件下产生了非常低的平流层温度。 在南极黑暗酷冷的冬季(6~9 月),下沉的空气在南极洲的山地受阻,停止环流而就地旋转, 吸入周围的冷空气,形成“极地风暴旋涡”。 这股“旋涡”上升到 20km 高空的臭氧层,由于这里温度非常低,形成了滞留的“冰云”。“冰云” 中的冰晶微粒把空气中带来的 CFCs 和哈龙吸收在其表面, 并不断积聚其中。 当南极的春季 来临(9 月下旬),阳光照向“冰云”时,冰晶溶化,释放出吸附的 CFCs 和哈龙。它们受到紫 外线 UV-C 照射,分解出 CI?和 Br?并与臭氧反应生成 CIO?和 BrO?消耗臭氧。由于冰晶的 吸附作用,积累的 CFCs 和哈龙在一段时间内集中分解出 CI?和 Br?再加上形成冰晶会发生 各种各样的化学变化,促成了每年 9~11 月臭氧快速耗减,在特定高度臭氧几乎完全消失, 导致臭氧空洞形成。?随着夏季的到来,南极臭氧层得到逐渐恢复,然而臭氧减少的空气可 以传输到南半球的中纬度,造成全球规模的臭氧减少。

南极地区气温最低,平流层也最低,臭氧层破坏最为严重,已经出现了臭氧空洞;北极地区 臭氧层破坏较轻, 另外在地球的第三极——青藏高原也出现了臭氧层变薄. 南极臭氧洞首先 是一种自然现象,太阳风是臭氧空洞的元凶,温暖海水蒸发、电解等也可产生氯离子;天然 产生的溴也是破坏臭氧层的重要原因。人类活动导致臭氧洞进一步扩大。例如,氯气、氯化 物、溴化物的制造使用,人类活动导致的全球变暖使海洋蒸发量加大、热带风暴加剧、海平 面上升和地震火山活动增多等等。 什么臭氧层空洞只出现在南极,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。

南极臭氧洞只出现在春季的原因 A.目前,主要解释是从光学角度进行的。这种观点认为,使臭氧层破坏的罪魁祸首主要是 氟氯烃(CFCs)。在人类聚居的北半球,由于大量生产和使用 CFCs,并使之进入大气层 中,大气环流携带着北半球散发的 CFCs,随赤道附近的热空气上升,分流向两极。在南极 黑暗酷冷的冬季(6-9 月),下沉的空气在南极洲受到山地的阻挡,停止环流,就地旋转, 形成“极地风暴旋涡”。这股旋涡不断上升,上升到 20 千米高空的臭氧层内以后,把南极与 中低纬地带空气对流隔绝开来,使南极变得极冷,并开始出现滞留在空中的冷气团“冰云”。 “冰云”中的冰晶微粒把气流中的 CFCs 吸收在其表面,并不断积聚其中。当南极的春季来临 时,阳光照向“冰云”,冰晶融化,释放出吸附的 CFCs。由于 CFCs 是一种含氯的有机化合 物,当它受到短波紫外线的照射,分解出一种自由基,这种自由基与臭氧发生反应生成另一 种自由基,反应过程中消耗掉一部分臭氧。一个氯原子可破坏 10 万个臭氧分子。因此,南 极的臭氧洞出现在春季。 B.另一种解释是从动力角度进行的。这种观点认为,在南极极夜期间,因中低纬向南极的 热量输送效率很低,控制南极上空的极地“旋涡”内部,形成了异常低温环境,光照少,氧分 子合成臭氧的光化学作用就会减弱。当极夜结束,春季来临(9 月始),太阳重新越出地平 线时,由于集中于平流层中下层的臭氧对太阳辐射的吸收,这一范围的大气被加热,于是该 层出现了上升运动。 这一上升运动引起的抽吸作用, 将对流层臭氧含量低的气体带入了平流 层,替代了原来平流层臭氧含量高的气体。这种“抽吸作用”直到 11 月份才逐渐减弱,此时 南极上空臭氧浓度逐渐上升。可见,由于南极春季的这种“抽吸作用”,导致了南极春季臭氧 空洞的形成。

C.北极没有形成臭氧空洞。1989 年初,来自好几个国家的 200 多名科学家聚集 在北极进行探测。 他们发现, 在北极的春天,臭氧浓度的降低与臭氧层中的 CFCs 的浓度的升高有明显的对应关系。只是北极没有极地大陆和高山,仅有一片汪洋 冰帽,不能形成大范围的强烈“极地风暴旋涡”,所以不易生成像南极那样的 “臭氧空洞”。


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