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南极臭氧层空洞


1、臭氧层空洞的定义 臭氧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, 在离地面 25 千米处臭氧浓度最大。 全球大气中臭氧总量约有 30 亿吨,如果在摄氏零度的温度下,沿着垂直于地表的方向将 大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压, 那么臭氧层的总厚度只有 3 毫米左右。 这种用从 地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法, 采用多布森 单位 (Dobson unit, 多布森单位, 简称 D.U.) 来表示, 正常大气中臭氧的柱浓度约为 300 D.U.。 臭氧洞被定义为臭氧的柱浓度小于 200 D.U., 也即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过 30% 的区域。 2、臭氧洞为什么发生在南极地区?为什么臭氧损耗的规模如此之大?为什么每年的南极臭 氧洞发生在春季?

目前, 对于臭氧层空洞形成机制大致有三种理论解释: ①动力气象学上的极地纬向环流变 化造成输送至南极上空的臭氧减少, 形成臭氧洞; ②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引 起臭氧的减少,出现臭氧洞;③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应(包括人 类活动影响)综合作用导致臭氧洞的形成。

美国科学家莫里纳和罗兰德提出, 人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极臭氧洞的 元凶,最典型的是氟氯碳化合物(CFC,俗称氟里昂)和含溴化合物哈龙(Halon) 。越来越 多的科学证据证实, 氯和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原 因。那么,氟里昂和哈龙是怎样进入平流层,又是如何引起臭氧层破坏的呢? 就重量而言,人为释放的 CFC 和 Halon 的分子都比空气分子重,但这些化合物在对流层是 化学惰性的, 即使最活泼的大气组分———自由基对 CFC 和 Halon 的氧化作用也微乎其微。 因此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,在平流层内均匀混合。 在平流层内,强烈的紫外线照射使 CFC 和 Halon 分子发生解离,释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坏臭氧层的主要物 质,它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的。溴原子自由基也以同样的过程破坏臭氧,因 此也是催化剂。据估算,一个氯原子自由基可以破坏 104—105 个臭氧分子,而由 Halon 释 放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的 30—60 倍。而且,氯原子自由基和溴原子 自由基之间还存在协同作用,即二者同时存在时,破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和。 但是, 上述的均相化学反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。 深入的科学研究发现, 臭氧洞的形成是有空气动力学过程参与的非均相催化反应过程。 所谓非均相, 是指大气中除 气态组分外,还有固相和液相的组分。人们对大气中存在云、雾和降雨等早已司空见惯,但 这种现象一般发生在对流层。平流层干燥寒冷,空气稀薄,较少出现对流层这些天气现象。

但在冬天,南极地区的温度极低,可以达到零下 80 摄氏度,这样极端的低温造成两种非常 重要的过程,一是极地的空气受冷下沉,形成一个强烈的西向环流,称为“极地涡旋”。该涡 旋的重要作用是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。另外,尽管南极空气十分干燥,极低的温度使该地区仍有成云过程,云滴的主要成 分是三水合硝酸和冰晶,称为极地平流层云。 实际上,当 CFC 和 Halon 进入平流层后,通常是以化学惰性的形态而存在,并无原子态 的活性氯和溴的释放。 南极的科学考察和实验室的研究都证明, 化学惰性的 ClONO2 和 HCl 在平流层云表面会发生化学反应,结果造成 Cl2 和 HOCl2 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, 和 HOCl Cl2 的光解机会很小。 当春天来临时, 阳光返回南极地区, 太阳辐射中的紫外射线使 Cl2 和 HOCl 开始发生大量的光解, 产生前述的均相催化过程所需的大量的原子氯, 从而造成严重的臭氧 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%,另外,氯原子和溴 原子的协同机制可以解释大约 20%。随后更多的太阳光到达南极,南极地区的温度上升, 气象条件发生变化, 结果是南极涡旋逐渐消失, 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。 北极也发生与南极同样的空气动力学和化学过程。 研究发现, 北极地区在每年的一月至二 月生成北极涡旋,并发现有北极平流层云的存在。在涡旋内氯基(C1O)占氯总量的 85% 以上,同时测到与南极涡旋内浓度相当的溴基(BrO)的浓度。但由于北极不存在类似南极 的冰川,加上气象条件的差异,北极涡旋的温度远较南极高,而且北极平流层云的量也比南 极少得多,因此目前北极的臭氧层破坏还没有达到出现又一个臭氧洞的程度。 因此,南极臭氧洞的形成是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程,但其产生根源 是地球表面人为活动产生的氟里昂和哈龙, 曾经是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的科 学解释。但是令人忧虑的是,CFC 和 Halon 具有很长的大气寿命,一旦进入大气就很难去 除, 这意味着它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程, 臭氧层正受到来自人类活动的巨 大威胁。 3、2003 年臭氧层空洞的状况 今年 8 月以来, 南极上空臭氧层空洞迅速形成和扩大, 目前已危及到美洲大陆最南端的火 地岛和阿根廷圣克鲁斯省的南部地区。南极的臭氧层空洞已扩大到 2400 万平方公里以上。 南极上空的臭氧层空洞一般每年 8 月出现,9 月至 10 月空洞范围最大,12 月前后消失。 今年由于受大气气流影响,南极上空的臭氧量与往年相比相对较少。

4、臭氧层破坏比较严重的地方在地球的“三极”上,即北极地区、南极地区和青藏高原的上 空。 地球上的这“三极”自然条件恶劣, 人烟稀少, 当地人们向大气中所排放的氯氟烃数量有限, 为什么“三地”上空臭氧层所受的破坏反而比较严重呢?

臭氧层就位于平流层当中。对流层是高度最低的一层,它和人类的关系最为密切,人类在 向大气中排放的有害气体首先进入到该层当中。由于“三极”地区上空的对流层较低,相应的 平流层的高度也随之降低。 人们向对流层大气中排放的氯氟烃会随着大气的环流运动而到达 “三极”地区的上空,正是因为“三地”的平流层较低,所以氯氟烃能到达平流层中而破坏臭氧 层。 实际的观测结果也正是如此: 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南极地区轻一些, 青藏高原地区臭氧层破坏较 北极地区又轻一些。 实际上,臭氧总浓度的减少在全球范围内发生。利用地面观测和卫星资料,中国气象科学 院的周秀骥报道了我国在青藏高原存在一个臭氧低值中心。 中心出现于每年六月, 中心区臭 氧总浓度的年递减率达 0.345%,这在北半球是非常异常的现象。根据全球总臭氧的观测结 果,除赤道地区外,臭氧浓度的减少在全球范围内发生,臭氧总浓度的减少情况随纬度的不 同而有差异,从低纬到高纬臭氧的损耗加剧,1978 年至 1991 年间每十年的总臭氧减少率为 1%-5%。

根据气象专家研究发现: 臭氧层破坏比较严重的地方实际是在地球的“三极”上, 即北极地区、 南极地区和青藏高原的上空。 地球上的这“三极”自然条件恶劣, 人烟稀少, 当地人们向大气中所排放的氯氟烃数量有限, 为什么“三地”上空臭氧层所受的破坏反而比较严重呢? 臭氧层就位于平流层当中。对流层是高度最低的一层,它和人类的关系最为密切,人类在 向大气中排放的有害气体首先进入到该层当中。由于“三极”地区上空的对流层较低,相应的 平流层的高度也随之降低。 人们向对流层大气中排放的氯氟烃会随着大气的环流运动而到达 “三极”地区的上空,正是因为“三地”的平流层较低,所以氯氟烃能到达平流层中而破坏臭氧 层。 实际的观测结果也正是如此: 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南极地区轻一些, 青藏高原地区臭氧层破坏较 北极地区又轻一些。 臭氧洞为什么会发生在南极地区?为什么臭氧损耗的规模又如此之大呢?为什么每年的南 极臭氧洞发生在南极地区的春季(9—10 份)?这里面的原因非常复杂。 目前, 对于臭氧层空洞形成机制大致有三种理论解释: ①动力气象学上的极地纬向环流变 化造成输送至南极上空的臭氧减少, 形成臭氧洞; ②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引 起臭氧的减少,出现臭氧洞;③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应(包括人 类活动影响)综合作用导致臭氧洞的形成。 美国科学家莫里纳和罗兰德提出, 人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极臭氧洞的 元凶,最典型的是氟氯碳化合物(CFC,俗称氟里昂)和含溴化合物哈龙(Halon) 。越来越 多的科学证据证实, 氯和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原 因。那么,氟里昂和哈龙是怎样进入平流层,又是如何引起臭氧层破坏的呢? 就重量而言,人为释放的 CFC 和 Halon 的分子都比空气分子重,但这些化合物在对流层 是化学惰性的,即使最活泼的大气组分———自由基对 CFC 和 Halon 的氧化作用也微乎其 微。因此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,在平流层内均匀混合。

在平流层内,强烈的紫外线照射使 CFC 和 Halon 分子发生解离,释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坏臭氧层的主要物 质,它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的。溴原子自由基也以同样的过程破坏臭氧,因 此也是催化剂。据估算,一个氯原子自由基可以破坏 104—105 个臭氧分子,而由 Halon 释 放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的 30—60 倍。而且,氯原子自由基和溴原子 自由基之间还存在协同作用,即二者同时存在时,破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和。 但是, 上述的均相化学反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。 深入的科学研究发现, 臭氧洞的形成是有空气动力学过程参与的非均相催化反应过程。 所谓非均相, 是指大气中除 气态组分外,还有固相和液相的组分。人们对大气中存在云、雾和降雨等早已司空见惯,但 这种现象一般发生在对流层。平流层干燥寒冷,空气稀薄,较少出现对流层这些天气现象。 但在冬天,南极地区的温度极低,可以达到零下 80 摄氏度,这样极端的低温造成两种非常 重要的过程,一是极地的空气受冷下沉,形成一个强烈的西向环流,称为“极地涡旋”。该涡 旋的重要作用是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。另外,尽管南极空气十分干燥,极低的温度使该地区仍有成云过程,云滴的主要成 分是三水合硝酸和冰晶,称为极地平流层云。 实际上,当 CFC 和 Halon 进入平流层后,通常是以化学惰性的形态而存在,并无原子态 的活性氯和溴的释放。 南极的科学考察和实验室的研究都证明, 化学惰性的 ClONO2 和 HCl 在平流层云表面会发生化学反应,结果造成 Cl2 和 HOCl2 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, 和 HOCl Cl2 的光解机会很小。 当春天来临时, 阳光返回南极地区, 太阳辐射中的紫外射线使 Cl2 和 HOCl 开始发生大量的光解, 产生前述的均相催化过程所需的大量的原子氯, 从而造成严重的臭氧 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%,另外,氯原子和溴 原子的协同机制可以解释大约 20%。随后更多的太阳光到达南极,南极地区的温度上升, 气象条件发生变化, 结果是南极涡旋逐渐消失, 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。 北极也发生与南极同样的空气动力学和化学过程。 研究发现, 北极地区在每年的一月至二 月生成北极涡旋,并发现有北极平流层云的存在。在涡旋内氯基(C1O)占氯总量的 85% 以上,同时测到与南极涡旋内浓度相当的溴基(BrO)的浓度。但由于北极不存在类似南极 的冰川,加上气象条件的差异,北极涡旋的温度远较南极高,而且北极平流层云的量也比南 极少得多,因此目前北极的臭氧层破坏还没有达到出现又一个臭氧洞的程度。 因此,南极臭氧洞的形成是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程,但其产生根 源是地球表面人为活动产生的氟里昂和哈龙, 曾经是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的 科学解释。但是令人忧虑的是,CFC 和 Halon 具有很长的大气寿命,一旦进入大气就很难 去除, 这意味着它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程, 臭氧层正受到来自人类活动的 巨大威胁。


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