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南极大气臭氧层空洞事件是公众很关心的事情


南极大气臭氧层空洞事件是公众很关心的事情。许多人认为南极大气臭氧层空洞是大气污染所导致的。这 种观点不仅过于简单,而且与许多事实矛盾。例如:因海陆分布状况影响,人类的活动强度(包括工业活 动强度、污染)北半球远大于南半球;而南、北极大气臭氧层空洞的强度却是南极远大于北极。 对全球臭氧的纬度分布、季节变化,污染说更是无法解释。 为此,本文依据已知事实对全球臭氧运动中的自然因素影响进行了相应探讨。臭氧是大气中氧气与紫外线 作用的产物。臭氧浓度是由臭氧的初始量、生产量、消耗量、流动补充量共同决定的。以臭氧层作用机制 与地球大气运动的角度来解释南、北极大气臭氧层空洞事件。以南极、北极的地理状况等差异来解释南、 北极大气臭氧层空洞的强度差异。本文还以极地影响与大气运动影响对全球臭氧运动的纬度分布、季节变 化进行了一些论述。 此外本文对一些地区臭氧状况作了简单的讨论。 关键词:臭氧洞、臭氧、南极、北极 1985 年英国科学家首先发现在春季南极地区臭氧总量的下降。随后美国科学家利用 1978 年以后的极轨 卫星探测资料证实了这一结果。卫星资料表明,在春季整个南极地区的臭氧总量都下降,同周围地区相比, 显得在南极洲上空出现了一个臭氧空洞,这就是公众常说的南极臭氧层空洞。 南极臭氧层空洞每年冬末春初出现,持续一个月左右。通常在十月底臭氧总量迅速回升,空洞闭合。呈现 出强烈的年周期性表现。 对南极臭氧层空洞的形成,许多人认为是大气污染所导致的。这种观点不仅过于简单,而且与许多事实矛 盾。 南极臭氧层存在空洞,北极臭氧层也存在空洞。北极臭氧层空洞存在的时间不长,只是春天到来之前的几 个星期。春天一到,臭氧层就马上恢复。虽因海陆分布状况影响,人类的活动强度(包括工业活动强度、 污染)北半球远大于南半球;但南、北极大气臭氧层空洞的强度却是南极远大于北极。 对全球臭氧的纬度分布、季节变化,污染假说也是无法解释。 与实际相符合的理论才能真正被人们接受。南极臭氧层空洞的污染假说显然只是浪得虚名而已! 针对污染说与事实的矛盾,本文依据已知事实对全球臭氧运动中的自然因素影响进行了相应探讨。 作者认为自然因素影响是全球臭氧运动(包括南、北极产生臭氧层空洞)的根本原因!作者认为全球臭氧 运动(包括南、北极产生臭氧层空洞)是自然现象。 1、臭氧层的作用机制及臭氧层变化的原因 1.1、关于臭氧层与极地臭氧层事件 首先让我们了解地球大气。地球大气层由下至上分为对流层,下热上冷;平流层,下冷上热;中间层(又 称散逸层)高度 50~85km,下热上冷;热层(也称暖层、电离层)高度 85~500km;外大气层高度 500km 以上。 对流层是靠近地表的底层大气,对流运动显著,而且该层大气密度最大,该层大气集中了地球大气的绝大 多数质量。其厚度因纬度、季节及其他条件而异。由于温度的影响对流层一般夏季厚冬季薄,赤道厚极地 薄。赤道约 16~18km,极地约 7~8km。由于地面热量变化大、水汽大部集中此层,大多天气现象发 生于此层。 平流层,从对流层顶到高度 50km 的一层,大气主要作层内水平运动。大气中的臭氧大部分在此层。通常 说的臭氧层与平流层一致。臭氧在 22~27km 的范围浓度最大。标准状况下,全球平均臭氧总量的累积厚 度只有 0.3 厘米左右。按大气组成,高度 100km 以下由各种气体混合组成,平均分子量为常数(即组成 比例相近) ,此层也称均质层。即使在所谓臭氧层臭氧也是痕迹量,主要组成为氮气、氧气。此种均质作用 的能量来自地面所接收的太阳辐射与平流层所吸收的太阳紫外线辐射。 许多人认为南极大气臭氧层空洞是大气污染所导致的。这种观点不仅过于简单,而且与许多事实矛盾。例 如:因海陆分布状况影响,人类的活动强度(包括工业活动强度、污染)北半球远大于南半球;而南、北 极大气臭氧层空洞的强度却是南极远大于北极。 一些人认为虽然臭氧在大气中含量很小,但由于能够大量吸收太阳紫外线辐射,对地球环境和生态环境有

重大影响。这种观点是不确切的。 臭氧层是地球大气(O2 )中占 21%的氧气与紫外线作用的产物。 使地球生命免于辐射伤害的是整个大气层。 地球大气对高能射线和紫外线进行了吸收,并保存其能量;使生命即免于辐射的伤害,又处于温暖之中, 生机勃勃。 λ〈0.175μm(1750?)的太阳紫外线为高度 85~500km 暖层中的大气物质(主要是 O 原子)吸收, (O、N)被电离。λ≤2424? 的紫外线可将氧气分解为氧原子。2424?~2684? 的紫外线可使氧气从 正常分子过渡到其激发态。分子氧及(O2 )2 和O2 -N2 复合体能造成λ〈2800? 的紫外线即 Hartely 带连续区的附加吸收。⑴高原地面紫外线辐射强度较平原地区高的事实可以说明近地面大气也对紫外线有 吸收作用。 臭氧其键能较氧气更低。 臭氧自然也对紫外线有吸收。 臭氧的光解需要 1.09ev 的能量, 即需要λ 〈11400? 的光子。λ〈2800?,Hartely 吸收带;λ〉3000?,Huggins 吸收带。在可见光与远红外光范围也存 在一系列吸收带。臭氧光解产生氧原子与氧气。⑵ 产生臭氧的重要过程是产生氧原子。在平流层引起氧气光解的辐射集中在 2000?~2200? 区间,峰值在 2100?。50%的氧原子产生于 40km 以上,97.5%的氧原子产生于 25km 以上。臭氧峰值之所以在较低 高度主要是由于源地向下的输运所致。 ⑶这表明了其分子量的影响。O3 分子量 48, ( 大气平均分子量 28.8) 当然O2 光解成O原子,O原子并不可能只与氧气作用生成臭氧;自然也会与其它物质作用(诸如 NO+ O=NO2) 。O3 并不是紫外线与氧气作用的唯一产物。同样臭氧的消耗也并不是只有光解一条途径。O3 是强氧化剂,在常温可以氧化除金、铂以外的金属。O3 与O原子作用、与 O3 作用、与水作用,与 NO 作 用……与所接触的一切还原物质作用,降解为 O2 与其它生成物。如果只有生成,没有降解,臭氧浓度将 无限度增长;这是不可能的,也是与事实不相符的。 O2 光解成O原子与其它物质作用及臭氧光解产生氧原子与其它物质作用,对臭氧层并不是没有意义。此 种作用在稳定的平流层消耗了还原性物质,使臭氧得以保存,形成了臭氧层。 身为地球大气组成一分子的臭氧,其对紫外线的吸收是整个大气层对紫外线进行吸收的一部分。臭氧对紫 外线的吸收是氧气与紫外线作用的组成部分,因为在阳光下O2 光解生成臭氧的作用一般是强于臭氧光解 产生氧原子与氧气的作用。这可以用阳光下臭氧总量的日变化(臭氧的累积作用)来证明。在一定程度上 臭氧对紫外线的吸收可以说是氧气与紫外线作用生成臭氧全过程中的一个中间环节。所谓臭氧吸收紫外线 的说法,是不科学的。 大气层减弱了各种辐射的强度(包括紫外线、Ⅹ射线和γ射线) ,保护了人类和其它生命。如来自宇宙天体 的高能的Ⅹ射线和γ射线,我们只能在外大气层利用卫星或太空站来观测;在整个大气层之后的地面我们是 无法观测到的。 由此看臭氧层变化当然要与全球大气系统的状况变化息息相关。从南极臭氧层空洞变化严格的年周期性可 以看出这种年周期性变化是与地球公转运动有极大关系。 地球运动的一个重要特点就是地球的自转轴与其公转轨道相倾斜(地球赤道与公转轨道倾斜 23.5°) 。地 球上的许多变化都基于此点,如季节变化等。两极地区受之影响更大,均为半年阳光的极昼,和半年黑暗 的极夜。 在极夜极地地区无阳光、紫外线的照射,氧气与臭氧间产生不了需要能量的氧气向臭氧的转化。实际上只 能发生不需要能量注入的臭氧向氧气的转化。这种情况势必产生了臭氧浓度下降的趋势。 那么为什么南极臭氧层空洞形成在南极的冬末春初,而不是极夜期间? 影响臭氧层变化的因素很多,臭氧状况除与其生产状况相关,还与其保存、消耗、流动状况相关。极夜期 间极地大气无臭氧产生,并不等同于极地臭氧浓度的绝对下降。臭氧浓度是由臭氧的初始量、生产量、消 耗量、流动补充量共同决定的。极地臭氧层事件与其它大气事件一样主要受大气状况的影响。极地臭氧层 事件充分体现出全球大气的整体性。 地球大气系统变化是由地球的自转运动与太阳辐射所决定的。

地壳具有很大刚度,而大气则无任何刚度可言,所以地球自转对大气、地壳的影响程度是不同的。地壳运 动可以说是由于地壳的结构刚度而随地球自转作刚性转动,地壳的任何地点的自转角速度都相等,当然地 壳的自转线速度依其纬度不同而不同。地球大气系统则还要受地球引力作用并按气态方程相应作气体的热 运动。两者加以比较,后者比较复杂、涉及因素更多。由于大气的自身性质决定,其自身对能量变化呼应 强烈。低层大气所受的影响尤其巨大;如对流层大多天气现象发生于此层,主要就是由于地壳热辐射与地 面水系统的影响。低层大气与地壳接触,运动受地壳自转运动的摩擦作用,可以说是大气受地壳的“粘着 力”影响。地面的热辐射更是低层大气变化的影响因素,海陆分布、地面植被对之有作用,地球高纬度与 低纬度间的温度梯度更有重要影响。众所周知,由于地球规则的公转、自转运动及因此产生的地球高纬度 与低纬度间的温度梯度,地球低层大气作全球性的有规律的大气运动即大气环流。大气环流由赤道至极地 分三圈环流,使地球高、低纬度地区间大气形成循环流动。高层大气的运动相对简单了许多,差不多只是 受太阳辐射的影响,做太阳能量所决定的分子运动;在全球范围表现出高度的一致,如外大气层、热层。 中层大气受太阳辐射的影响,又受低层大气、高层大气的影响,臭氧的形成与由中间层顶至平流层顶至对 流层顶的低-高-低温度变化就是其体现。当然整个大气系统均受地球引力作用。 对臭氧的输运有影响的是对流层内的大气环流。 直接影响极地臭氧层变化的大气环流是高纬度环流圈。极地低空高压冷空气向较低纬度作流动,较低纬度 高层空气向极地作逆向流动。气体体系是分子运动表现最充分的。分子运动将较低纬度大气环流的动量传 递给平流层(臭氧层)大气,促成平流层大气(包括臭氧)向极地的流动。极地高层空气受冷下降,产生 了更高处的大气向下流动的补偿作用也有助于增强臭氧向极地的流动。正是这类极地与较低纬度的大气流 动,促使极地与较低纬度的臭氧间出现流动,弥补了极地臭氧的下降。 由于地球自转的结果,地球呈赤道略突出的扁率不大(1/298)的扁椭球体。地球的直径在赤道最大,在 两极最小;在相同海平面高度地球重力赤道最小,极地最大。在相同海平面高度相同物体所具有的势能赤 道最大,极地最小;在相同高度不同纬度相同物体间存在势能差。再加之臭氧层下的对流层一般夏季厚冬 季薄,赤道厚极地薄;赤道约 16~18km,极地约 7~8km。无疑此点又加大了较低纬度臭氧层中的气 体分子与较高纬度的势能差;而且对季节分明的中纬度地区而言可能是夏季势能差较大,冬季势能差较小。 但由于以上原因较低纬度的气体具有较高势能。仅就势能而言就必然得出臭氧层存在气体由高势能位向低 势能位的流动,即由低纬度流向高纬度方向的运动,臭氧自然也不会例外也作同样运动。臭氧层的气体作 分子热运动,极小部分高能分子作向上运动,一部分分子作向下运动,一部分分子作水平运动尤其是作向 低势能位的水平运动。任何客观存在都要产生其影响。 极夜期间地球高纬度与低纬度间的温度梯度最大,高纬度环流圈活动最强。而极夜的结束,阳光的照射使 极地温度上升减少温差;高纬度环流圈活动减弱,减弱了臭氧向极地的流动。当然阳光的照射开始了极地 大气层对臭氧的生产。这从长期来看极地大气层臭氧必然增加, 。但极夜向极昼的转换时阳光辐射使极地大 气系统能量增加很大。对流层厚度由大气能量决定,故此一时期极地对流层增厚、平流层减薄。对流层的 厚度扩展直接使大气中“还原”物质消耗其扩展范围的臭氧;其能量增加也使其与“现臭氧层”的气体交 流增强,这自然也减少了“现臭氧层”的臭氧。当然大气系统的能量变化不会只局限于低层;氧气吸收紫 外线的臭氧层也自然有能量的增加,而且其增加幅度很可能比其它层高许多。极地臭氧层能量的增加,打 破了臭氧层的平衡;增加了能量的臭氧分子自然也相应增强其运动能力。这可能会导致臭氧向各方向运动, 使“现臭氧层”臭氧相应减少。物质流动的大趋势总是由高势能流向低势能处。转换时期极地臭氧层来自 较低纬度臭氧输运的减弱、阳光照射开始的臭氧生产增加、与对流层增厚所增强的臭氧消耗相结合使转换 时期极地臭氧层臭氧浓度的降低。南极臭氧层的臭氧浓度降低发生在较低高度的平流层(10~25km)⑷, 表明较低层大气(臭氧层的较低层)受极地能量变化影响最大,反应了极地大气系统的相应能量变化、组 成变化。 正是因为如此,大气环流活动强的冬天极地的臭氧层基本没有变化。大气环流活动较弱的、也是极地大气 系统能量变化最大的极夜与极昼转换期(北半球的春分为 3 月 21 日,南半球的春分为 9 月 23 日,在春 分正午阳光直射赤道两极阳光辐射为零) 由于极地阳光辐射的影响温度回升极地大气能量增加与较低纬度 ;

区域的能量梯度减小,导致流向极地的臭氧减少;加之极地对流层增厚使臭氧消耗增强;诸方面共同影响 的结果是南极臭氧层出现了严重的浓度降低事件,也就是出现了空洞。极区进入了极昼后,大气流动的补 充;及紫外线与氧气间的相互作用所产生臭氧很快使臭氧层恢复了正常。这就是地球极地臭氧层的年周期 变化的原因。 前人对臭氧变化与对流层天气相关性已做了许多工作。王贵勤先生 1985 年在《大气臭氧研究》中对做了 如下叙述: “在瑞士和英国开始正规观测臭氧(于 1926 年)之后,很快就弄清楚了,臭氧含量 X 的变化 与天气紧密相关。1926 年 4 月 4-8 日在大西洋和大不列颠上空通过一个气旋,在这个气旋的前部,4 月 4 日 X 总共为 306;而在其后部 4 月 8 日 X 上升到 420。在这之前几天,3 月 23-25 日,在瑞士上空通 过一个不大的低压,发现 X 起先由 268 增加至 352,而后又下降到 283。在 1929 年多布逊已经做了欧 洲的气旋和反气旋中臭氧分布的一些典型图式。在这些图上 X 在气旋后部急剧上升,而在气旋的前部则急 剧下降。……Д.Добcоh 和 А.Митхмзн于 1934 年提出三种他们认为能解释臭氧天气特性的 原因。……②如果在某些地区上空存在占据大气层很厚的下沉气流,则这时混有臭氧的空气就下降,而占 据这个位置的空气很快就变成臭氧的气体了, 在下沉气流中的臭氧还将受到保护而免于太阳辐射破坏……。 在下沉气流地区的上空臭氧总量将逐渐增加。上升气流区与这类似……,趋向臭氧含量变小的地区。…… 有时把关于垂直气流对臭氧影响的概念叫做 Dobson-Normand 原理。 ……Гущин根据 1959 年 3 月 和 10 月在沃耶伊科沃的观测发现 X 与对流层顶高度 HT 有很强的负相关[r(X,HT )=-0.79],Лилат ова根据 1960-1961 年在伊尔库次克的观测得到(r=-0.71),等等。 ”⑸ 臭氧是阳光中紫外线与地球大气中氧气作用产物,臭氧运动必然要相应反映地球的运动,存在相应天文周 期。 1.2、关于臭氧总量的纬度、季节分布 极地臭氧层事件不是地球大气运动的全部,也不是臭氧运动的全部。 樊小标等(1996)介绍其以二维化学模式对大气化学组成的模拟计算结果: “臭氧总量的季节-纬度分布有 如下特征:⑴在赤道地区臭氧总量为极小值,约 260D.U.,随着纬度的增加,臭氧总量将增加,并在高纬 度(60~80 度)地区达到最大值。⑵在低纬地区臭氧总量的季节变化很小,随着纬度的增加臭氧总量的 季节变化也将增大,两半球均在春季达到最大值,秋季出现最小值。这些特征均能反映在模拟结果中,但 仍有如下差别:⑴高纬地区臭氧总量偏大,而臭氧总量季节变化过小。 (指模拟值)⑵春季极大值持续时间 过长。 (亦指模拟值) ”⑹ 对流层由于受地面能量变化影响,大气运动强烈。在对流层中强烈的大气运动将大气各组成气体加以搅拌, 加之对流层大气密度相对较高分子碰撞极频繁,使其大气各组成混合的很均匀,对流层简直可以称为搅拌 层。这也是对流层没有发生按分子量分异的原因。对流层以上各层均存在按分子量分异的现象。此种搅拌 极利于化学反应的进行;对臭氧而言就是其消耗。 臭氧总量确切的说是臭氧保存总量与臭氧生成量相关,与保存条件更相关。在臭氧层紫外线辐射强烈其生 产量高,且该层大气稳定、 “还原”物质被大量消耗,其保存条件最好,故其臭氧保有量最大称之为臭氧层。 臭氧层主要受对流层的影响。由于温度的影响对流层一般夏季厚冬季薄,赤道厚极地薄。所以可以认为对 流层在夏季对臭氧层影响最大,在冬季影响最小。地球大气系统是一个开放的系统。对流层与其相邻臭氧 层间存在气体交流。交流的结果是对流层的一些气体上送到臭氧层,臭氧层的一些气体包括臭氧在内下移 到对流层。由于臭氧的能量、化学活性比较高,所以不仅是下移,而且是要与对流层的一些成份发生作用, 此种交流对臭氧有很大的消耗作用。对流层可以说是臭氧的消耗层。对流层对臭氧的消耗也是需要过程、 时间的,因而对流层中是可以存在臭氧的。 较高纬度的对流层厚度较薄,对臭氧层的影响也相对较小,且臭氧层较厚,其臭氧保存条件较好、保存量 较大;加之臭氧由高势能位的低纬度向高纬度的水平流动,故其臭氧总量较低纬度高。两半球臭氧总量在 春季最大秋季最小,是由于极地影响;春天极地区域成为臭氧生产区域,秋天极地退出臭氧生产,这表现 出很强烈的极地区域阳光影响。两半球臭氧总量在冬季、夏季居于春天、秋天之间,则是臭氧冬季其保存

条件较好消耗较少,夏季保存条件较差消耗较大,这表现出很强烈的保存条件影响。臭氧总量的季节、纬 度差异即表现了对流层变化的影响,也表现了极地影响,两者都很重要。2、两极的差异与一些地区臭氧观 测情况 2.1、关于两极差异 从 1985 年南极发现臭氧层空洞以来,人们已积累许多关于臭氧层空洞的资料,其中也包括 1978~1985 年间的卫星观测资料。南极屡年发生严重的臭氧层事件,而北极的臭氧层空洞事件却弱许多。南极、北极 的臭氧层空洞事件的发生差异为什么如此之大? 原因很简单,两极地理差异的结果。两极的地理状况、洋流、大气系统存在很大的差异。 从热容量方面看,水的热容量最大,远远高于其它物质。南极周边均为海洋,不存在陆地。由南极出发的 高压冷空气向较低纬度流动,立即与海水接触,海水失去热量结冰(一般 1 克 0℃水变成 0℃冰须失去 80 卡热量,海水冻结温度低一些) ,冷空气的活动很快减弱。这就是南极大气活动强度低,极地涡流围绕 南极的原因。北极地区陆地面积大,陆地热容量小,极地冷空气南下,经过较长距离的热交换才得以减缓。 北极大气环流活动范围比南极广。 从两极地区表层洋流对比上看,也是如此。北极地区主要洋流有黑潮、亲潮、阿拉斯加海流、东格陵兰海 流、拉布拉多海流、北太平洋海流、墨西哥湾流、北大西洋海流等较低纬度与极地间流动的洋流。南极地 区则主要洋流为较低纬度的环向的西风飘流。表层洋流与底层大气间有较强的相互作用。洋流活动也对大 气活动有影响。 以上气流、洋流所表示的是极地与较低纬度区域的能量流动、物质流动。可以说南极地区与较低纬度区域 的能量流动、物质流动程度较低,其大气体系能量变化由本区域太阳辐射决定,大气活动亦决定于本区域 太阳辐射。这使南极地区大气能量、流动在极夜与极昼转换期变化急剧。北极地区与南极地区不同的是其 大气体系能量变化、大气活动受较低纬度区域的能量、大气流动影响较强。这减弱了太阳辐射对北极地区 的影响力。自然北极区域大气能量、流动在极夜与极昼转换期变化较缓和。来自较低纬度相对较强的臭氧 输运、阳光照射开始的臭氧生产增加、与对流层变化缓和所导致的相对较小臭氧消耗相结合使转换时期北 极区域臭氧层臭氧浓度的降低较缓和。两极臭氧层的差异就是如此产生的。 2.2、关于一些臭氧观测的情况 臭氧为阳光中紫外线与大气中氧气作用产物,自然全球臭氧总量与地面臭氧浓度变化也随着地球运动而发 生变化。 颜鹏等(1996)对中国黑龙江省龙风山区域本底站(44°44'N,127°36'E, 海拔 325m) 、浙江省临 安区域本底站(30°25'N,119°44'E,132m) 青海省瓦里关区域本底站(30°17'N,100°54'E, 、 3810m)1994 年 8 月至 1995 年 3 月的地面臭氧等浓度观测资料作详细研究,得出结论: “①临安、龙风山、瓦里关山三站的平均地面O3 浓度分布说明,地面O3 分布与光化学反应及地面特征 有关,城市附近农村较大,远离城市地区较少;海拔高的地区浓度较大,低的地区浓度较少。 ②三站地面O3 浓度时间变化趋势不同,龙风山、临安 10 月底到 11 月初最大,12 月或 1 月最低,瓦里 关 8 月与 3 月较大,12 月最低,反映了地面O3 分布的局地性与全球性特征。 (见表 1) ③三站地面O3 的日变化规律显示了O3 生成机制的不同特点。龙风山和临安符合光化学下的日变化特征, 日出前最低,午后最大;瓦里关山则呈双峰分布,且中午最低,夜间浓度最大。日变化幅度临安最大,龙 风山次之,瓦里关最低。 ④NOx,SO2 的分布有明显的地理特征。临安最大,龙风山其次,瓦里关最低;局地源是造成这种差异 的主要原因。 ”⑺ 颜鹏等还在同文详细介绍: “三站地面O3 的平均日变化,临安和龙风山日变化形状相似,早晨 7~8 时浓 度最低,日出后,随着太阳辐射加强,O3 的光化学生成增大,到下午 15~17 时,浓度达到最大,日落 后,光化学作用消失,浓度逐渐降低。日变化量临安在 25ppb 以上,龙风山 15ppb 左右;瓦里关日变化 量很小,最大日变化量约 3ppb,远小于临安和龙风山,但可以看出,变化呈两高一低形,13 时最小,第 一个大值出现在凌晨 3 时,第二大值约在晚上 19 时。 ”晴天与阴雨天的日变化“临安和龙风山在两种天气

条件下的日变化形状没有明显差别,只是日变化量晴天比阴天增大许多” ;瓦里关晴天时第二峰值浓度比第 一峰略高,阴天第二峰值消失。 (见图 1 )⑺ 以上观测结论共同的突出特点是臭氧浓度变化的严格周期性。11 年、22 年耦合于太阳周期,年、日波动 耦合于地球公转、自转周期。尤其是龙风山、临安日出前最低午后最大的光化学特征即充分表明了地面臭 氧浓度受阳光变化主导(紫外线作用生成臭氧的累积性) ,也充分表明了臭氧在无阳光(紫外线)条件的降 解。龙风山、临安臭氧的季节性变化,也表明了臭氧浓度与太阳辐射强度变化的一致。瓦里关区域臭氧的 日变化、季节变化与临安、龙风山地区的差异,表明了该高原地区臭氧运动的特殊性。但瓦里关地区 12 月臭氧浓度最低,此点与临安、龙风山地区相近,这表现了地球臭氧变化的广泛的一致性。 瓦里关地区臭氧浓度的日变化极大地体现了其大气的垂直运动。青藏高原地区地面气温较低,加之阳光强 烈(青藏高原日照值为我国日照最高地区之一) ,故日夜温差很大,由此形成强烈的大气垂直运动,相应伴 随着不同高度的物质交流。地面的低温冷却了来自较高高度的大气,臭氧也包括在内。温度代表着气体平 均动能,低温使臭氧减速,有可能使大分子量的臭氧冷集中于地面。两者之和引起臭氧浓度的规则变化。 大气层电离层在垂直高度的日变化原因与此是很相近,也是由于能量原因。瓦里关地区与其它地区臭氧季 节变化规则的差异也反映出该高原地区大气运动的特点及其对臭氧浓度影响程度。 临安、龙风山、瓦里关阴晴地面臭氧浓度差异表现出臭氧运动极重要的特点。丁国安等(1996)指出龙风 山地区 1994 年秋季晴天地面臭氧浓度日变化曲线呈现双峰型 “北京时 6 时左右为最低值 (28.9ppb) 日 , 出后浓度逐渐增加,下午约 5 时达到最高值(56.1ppb) ,而后又逐渐降低直到子夜,在凌晨前一个很小 的峰值出现后又下降直到日出。其日振幅为 27.2ppb,地面O3 浓度最高值几乎为最低值的两倍。阴天的 日变化不如晴天规则,最低值出现较晴天推迟一至二小时(北京时 8 时) ,最低值为 24.1ppb,而最高值 出现时间提前两小时(北京时 15 时) ,其值为 38ppb ,而后不规则地下降直到第二天日出。阴天的日较 差(13.9ppb )约为晴天二分之一。雨天地面臭氧日较差最小(7.6ppb) ,日变化不规则,这和降雨出 现时间不同,以及降雨冲刷作用有一定关系。 ”⑻此外徐哓彬等还介绍龙风山地区在夜间地面臭氧的次峰值 相同时段还存在 NO2 和 NOx 峰,并认为此一事实说明该夜间臭氧次峰的存在不是孤立的。⑼龙风山地区 秋季凌晨臭氧峰值与瓦里关地区相似,表明了该变化的普遍性,自然也表明龙风山地区存在相同或相似影 响因素。北方地区秋季气候特点是在各季节中日夜温差最大。由于相同原因龙风山地区秋季较大的日夜温 差也产生了与瓦里关地区相同的影响。地处南方的临安地区秋季不存在明显的龙风山地区式凌晨臭氧峰值 也可以归之于南方相对较小的日夜温差影响。三者间瓦里关地区日夜温差最大也最稳定,故出现较强的该 峰值,且其不受阴晴影响;龙风山地区秋季晴天日夜温差较大,故也出现其峰值,而且阴天温差减小其影 响亦较弱至较不规则;临安地区日夜温差较小,故不出现该峰值。 瓦里关地区 19 时臭氧峰值的阴晴差异表明该峰值系太阳辐射影响所至,只是由于凌晨峰值的影响使其日 变化曲线发生相应的改变。至于阴天瓦里关地区与临安、龙风山地区的差异,更是强烈表明此点。由于阴 天云层的影响,可以认为云下阳光(紫外线)的作用很弱,云下基本上只有一些漫反射的光线。云层并不 能减弱云上的阳光作用,甚至可能由于云层对阳光的反射而得到增强。由于瓦里关地区与临安、龙风山地 区海拔高差为三千多米,在相同的地面与云层高差条件下其大气密度相差极大,这也可以说是氧气浓度的 差异。相同的阳光条件下反应物的浓度对生成物浓度当然要产生影响。瓦里关地区比临安、龙风山地区的 阳光强度大一些,但其影响恐怕抵消不了氧气浓度差异极大的影响,故其云上生成臭氧浓度较临安、龙风 山地区低。云上、云下均为地球大气的组成部分,自然存在相互间的物质交流;三地间临安、龙风山地区 云上臭氧浓度高,其对云下影响强烈,阴天只是量值的降低并没有改变地面臭氧浓度的日变化曲线形状; 瓦里关地区云上臭氧浓度很低,其对云下影响自然也很弱,阴天自然要改变其地面臭氧浓度日变化曲线。 瓦里关地区相形较高密度的地面大气比其稀薄的高空大气对其日间地面臭氧浓度影响大许多。此外三地日 变化曲线中其使用时间可能均为北京时间,如按太阳时加以修正,其时间变化的一致性及太阳影响可能更 直观。 至于瓦里关站地面臭氧浓度在三站中浓度最高,日变化最小,原因在于其处于高原。高原地区海拔较高, 较相同纬度的低海拔地区的绝对对流层厚度薄一些。这意味着同样的阳光强度下阳光中紫外线发生的消耗

作用要弱一些(地球大气质量绝大部分集中在对流层,对流层薄与紫外线作用的氧气就相形要少一些) 。这 就是高原地区紫外线强烈的原因。较强烈的紫外线与大气中的氧气作用自然要产生较高浓度的地面臭氧。 较强烈的紫外线也是高原地区日夜温差较大的原因。 樊小标、石广玉(1996)介绍观测到的大气中 CH4、N2O、CFCs 分布的共同特征是: “⑴在对流层均匀 混合,体积混合比最大;在平流层随高度增加体积混合比逐渐减小。这是因为它们的源在地面,通过向上 运动输送到平流层。⑵平流层中,同一高度上,赤道地区体积混合比最大,随纬度增加体积混合比逐渐减 小。这反映了从位于哈特莱环流上升支的对流层源地而来的向上输送。 ”樊小标等介绍其以二维化学模式对 大气化学组成的模拟计算结果: “计算所得的 CH4、N2O 的纬度ˉ高度分布图与SAMS观测结果基本一 致,明显具有上述输送成分分布的共同特征。可以看出,它们的浓度随高度增加逐渐减小,这种减小速率 在赤道地区比高纬地区略小一点, 这是因为在赤道地区哈特莱环流上升支所联系的垂直输送速率较快。 CH4 在对流层区域内,赤道地区的浓度比高纬地区小,这是因为 CH4 的化学活性,在赤道对流层内与 OH 基反 应的结果。 ”樊小标等还介绍平流层内 N2O 的浓度值(模拟值)明显偏大;平流层中 CFC11 的减小速率 比 CFC12 大,在 25Km 以上 CFC11 模拟结果明显较观测结果大,CFC12 的模拟结果误差更大。⑹ 周秀骥等(1996)指出在青藏高原夏季南亚高压的影响,高原上空形成一个臭氧异常低值中心。周秀骥等 利用TOMS资料计算出了整个中国地区 12 年(1979~1991)平均的臭氧总量月平均值分布。 “1月份 臭氧总量的月平均值分布,其等值线基本上与纬圈平行。但到6月份,在青藏高原上空出现了明显的臭氧 总量低值中心,这个中心一直维持到9月份,同时,在东北方向出现了明显的高值中心。10 月份以后,臭 氧低值中心逐渐消失。 ”⑽在同文献中图5~图7(1月、6月、9月臭氧总量平均值全国分布)除表明了 青藏高原夏季存在臭氧总量低值中心外,还指示东北方向在1、6月份与全国同纬度区域相比已为高值区 域,只不过没有9月份明显而已。⑽ 周、樊等所述的事项相应也可以找到符合逻辑的解释。 樊小标等所述 CH4、N2O、CFCs 分布在平流层随高度增加体积混合比逐渐减小。我以为很大程度上表现 的是气体按分子量的分异。CH4 在对流层区域内,赤道地区的浓度比高纬地区小,很大程度上是由于其分 子量较小(16)与赤道上送作用强烈。至于平流层中 CFC11 的减小速率比 CFC12 大,我以为可能与两 者分子量差异相关(CFC1-CCL3F,136;CFC12-CCL2 F2,120 ) 。至于化学活性,当然要与之有 关。但我对之缺乏知识,无法评论。我以为可以作地面测试检查。 周秀骥等所述青藏高原夏季存在臭氧总量低值中心我赞成其由于青藏高原夏季南亚高压影响的解释,我还 以为高原上空强烈的地区对流作用对臭氧层产生的强烈消耗作用也有一定贡献。青藏高原臭氧异常低值中 心出现于夏季及其变化是有利于我的观点的。周秀骥等的工作实际还指出东北方向在1、6月份与全国同 纬度区域相比已为高值区域,只不过没有9月份明显而已。我以为可能为该区域的地区性因素影响所至。 中国东北地区较国内同纬度的其它地区而言,有很大的不同之处。由于海洋影响,东北地区比国内同纬度 的内陆地区湿润许多,东北为森林地带,内蒙为草原地带,西北为绿洲农业地带。植被状况不同,地面对 阳光辐射能的吸收及反射不同,植物的蒸腾作用也不同,地面温度及日夜温差变化也不同。相同时期,东 北温度、日夜温差变化最小,而且与其它地区的差异夏季较大冬季较小。故而东北对流层变化较国内同纬 度其它地区稳定而臭氧保存条件较好。这是东北臭氧总量较高且与其它地区差异在夏季较大冬季较小的原 因。 地球大气运动是由地球运动、表面形状与其能量分布决定的。我认为青藏高原海拔高度高以至影响到地球 的行星风,再加上其高原的独特热力特征,其大气运动的确应该象极地那样表现出其特殊性。如果有其具 体地理特点的青藏高原与极地的大气运动及大气运动的组成部分臭氧运动没有表现出其地域特点,这反而 是不可思异的事情。 我还认为由于地理差异等,北极地区的大气流动与洋流系统均较南极地区活跃,北极地区与全球热量交换 当然也更强,北极气候变化对世界气候的影响要强于南极。事物的另一方面是世界气候变化对北极的影响 也更强。 地球未来会如何?我看一切事物均持平衡观点。我认为时间会解决一切。任何事物都不会也不可能无限发

展。

参考文献: ⑴王贵勤 等.编译. 大气臭氧研究. 北京:科学出版社. 1985. 98~100 ⑵王贵勤 等.编译. 大气臭氧研究. 北京:科学出版社. 1985. 13~20 ⑶王贵勤 等.编译. 大气臭氧研究. 北京:科学出版社. 1985. 491 ⑷郭松,周秀骥,郑向东 等.南极中山站臭氧洞期间 O3 廓线的观测研究.极地研究,1997,9(1): 78~82 ⑸王贵勤 等.编译. 大气臭氧研究. 北京:科学出版社. 1985. 178~181 ⑹樊小标,石广玉. 二维化学模式及其对大气化学组成的模拟.见周秀骥.主编. 中国地区大气臭氧变化及其 对气候环境的影响.北京:气象出版社. 1996. 209~221 ⑺颜鹏,李兴生,罗超 等.中国清洁地区地面O3,NOx,SO2 的分布特征.见周秀骥.主编.中国地区大气 臭氧变化及其对气候环境的影响.北京:气象出版社.1996. 1~9 ⑻丁国安,徐哓斌,罗超 等.龙风山本底站秋季地面O3 与气象条件初探. 见周秀骥. 主编.中国地区大气臭 氧变化及其对气候环境的影响.北京:气象出版社.1996. 30~37 ⑼徐哓斌,丁国安,李兴生,向荣彪. 龙风山地区地面O3、NOx 及SO2 浓度变化特征和原因.见周秀骥.主 编.中国地区大气臭氧变化及其对气候环境的影响.北京:气象出版社. 1996. 48~66 ⑽周秀骥,罗超,李维亮,史久旦.中国地区臭氧总量变化与青藏高原异常低值中心.见周秀骥.主编.中国地区 大气臭氧变化及其对气候环境的影响. 北京:气象出版社. 1996. 232~238

表一 龙风山﹑临安和瓦里关站地面 O3 月平均浓度(94.8-95.3) 龙风山 临安 瓦里关 月份 平均 O3(ppb) 日数 平均 O3(ppb) 日数 平均 O3(ppb) 日数 8 37.30±5.75 7 41.99±5.49 7 54.76±5.83 20 9 33.86±6.88 28 49.96±8.40 8 42.38±4.92 26 10 41.72±4.43 23 56.88±7.56 12 42.45±4.96 21 11 43.94±9.98 22 44.22±16.3 20 41.43±2.61 26 12 28.41±3.08 10 27.97±8.36 15 38.74±2.73 24 1 27.22±3.32 28 35.19±9.35 20 43.53±2.95 29 2 32.21±2.71 28 41.47±9.52 18 45.04±2.50 25 3 33.29±3.86 25 41.47±9.21 21 49.09±3.09 17 (摘自文献 7,颜鹏等,1996)

Natural Agents of the Ozonsphere's change Hou Zhenyu EMAIL:hou_zhenyu@sohu.com ABSTRACT: Phenomena of the hole of the atmosphere ozonosphere upon the South Pole are attention by public. Many people think that the pollution induces these phenomena. This point of view is not only simple but also contradicting with many facts. For example: the activity intensity of

the human being (including industrial activity and pollution) in the Northern Hemisphere is much greater than that in the Southern Hemisphere , but the two poles atmosphere ozonosphere hole are on the contrary. Therefore, this paper discusses the natural factor effect of the atmosphere ozonosphere on the globe. The atmosphere ozonosphere is result of the function between oxygen and ultraviolet radiation in the atmosphere. The ozone thickness is affected by the flowing supplement of the preliminary quantity, forming quantity, consuming quantity of the ozone. The paper explains the phenomena of the two poles by the function mechanism and the viewpoint of the globe atmosphere movement. And explains the intensity difference of the atmosphere ozonosphere hole on the two poles by geography status on it. This paper tells the latitude distributing of the ozone movement on the globe and season change, furthermore, it also simply discuss ozone status on some area. KEYWORD: the atmosphere ozonosphere hole, the ozone, the South Pole, the North Pole


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