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南极臭氧空洞


试论述南极臭氧层空洞的主要原因。 答:所谓臭氧洞即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过 30%的区域。目前,在南极、 北极、和青藏高原上空都有臭氧层的损耗现象,而南极上空的臭氧层损耗则发生最早,最为 严重。 目前普遍认为,人工合成的一些含氯和含溴的物质,最典型的是氟氯碳化合物即氟里 昂(CFCs)和含溴化合物哈龙(Halons),进入平流层后,通过光化学反应释放出的氯和溴 是造成南极臭氧层损耗的最主要原因。(下面以 CFCs 在例对其导致臭氧层破坏的机理进行 分析) ①、氟里昂进入平流层及其存在状态 就重量而言,人为释放的 CFCs 分子都比空气分子重,但它们在对流层十分稳定,不能 通过一般的大气化学反应去除。 经过一两年的时间, 这些化合物会在全球范围内的对流层分 布均匀, 然后主要在热带地区上空被大气环流带入到平流层, 风又将它们从低纬度地区向高 纬度地区输送,从而在平流层内混合均匀。 在平流层内,强烈的紫外线照射使 CFCs 分子发生解离,释放出高活性原子态的氯。氯 原子则可以通过以下催化反应对臭氧造成破坏:Cl+O3→ClO+O2;ClO+O→Cl+O2 深入的科学研究发现,在以上反应发生导致臭氧破坏的同时,大量的氯原子与从对流 层进入平流层的其它微量气体(甲烷和二氧化氮等)分别作用产生氢氯酸(HCl)和硝酸氯 (ClONO2),而这两种物质的化学性质不活泼,不会光解释放出氯原子,通常被称为“氯贮 存物质”。大量的氯是以氯贮存物质的形式存在于平流层的,即 CFCs 通过直接光解释放出 的活性氯原子导致的臭氧层损耗是非常有限。因此这不足以解释南极臭氧层空洞问题。 ②南极地区特殊的自然地理条件与氯贮存物质的进一步转化 南极冬天的极低温度造成两种非常重要的过程: 一是极地涡旋,在平流层下层,极地涡旋的形成极大地阻碍了极地与中纬度地区之间 物质与能量的交换,形成了一个封闭的系统,使极地涡旋中心形成一个温度极低的冷核。同 时极地涡旋涡旋的存在也使南极空气与大气的其余部分隔离, 从而使涡旋内部的大气成为一 个巨大的反应器。 二是极地平流层云的出现,尽管南极空气十分干燥,但在极低的温度(-80℃)下仍有 成云过程,云滴的主要成分是三水合硝酸(HNO3·3H2O)和冰晶。 南极的科学考察和实验室研究都证明,ClONO2 和 HCl 在平流层云表面会发生以下化学 反应:ClONO2+HCl→Cl2+HNO3;ClONO2+H2O→HOCl+HNO3。生成的 HNO3 被保留在云滴中,当云 滴成长到一定的程度后将会沉降到对流层,与此同时也使 HNO3 从平流层去除,其结果是 Cl2 和 HOCl 等组分的不断积累。 Cl2 和 HOCl 是在紫外线照射下极易光解的分子, 但在冬天南极的紫外光极少, 2 和 HOCl Cl 的光解机会很小。当春天来临时,Cl2 和 HOCl 开始发生大量的光解,产生前述催化过程所需 的大量原子氯,以致造成严重的臭氧损耗。 氯原子的催化过程可以解释所观测到的南极臭氧破坏的约 70%,氯原子和溴原子的协 同机制可以解释大约 20%。当更多的太阳光到达南极后,南极地区的温度上升,气象条件 发生变化, 南极涡旋逐渐消失, 南极地区臭氧浓度极低的空气传输到地球的其他高纬度和中 纬度地区,造成全球范围的臭氧浓度下降。 总之,南极臭氧洞产生的主要原因是地球表面人为活动释放的氟里昂和哈龙类物质, 这两类物质进入平流层后发生的复杂转化则与南极地区特殊的自然地理条件 (极地涡旋和极 地平流层云)有关,因此南极上空的臭氧层损耗则发生最早,最为严重。


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