臭氧層破壞的原因
南極臭氧洞一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立即引起了科學(xué)界及整個國際社會的高度重視?？茖W(xué)家需要對這一問題的許多現(xiàn)象和特征進(jìn)行探索，如臭氧洞為什么發(fā)生在南極地區(qū)？為什么臭氧損耗的規(guī)模如此之大？為什么每年的南極臭氧洞發(fā)生在春季？
對于這些涉及臭氧損耗的地域性、季節(jié)性及其規(guī)模的定性和定量研究，是自南極臭氧洞被發(fā)現(xiàn)之后的科學(xué)熱點。最初對南極臭氧洞的出現(xiàn)有過三種不同的解釋，一種認(rèn)為，南極臭氧洞的發(fā)生是因為對流層的低臭氧濃度的空氣傳輸?shù)竭_(dá)平流層，稀釋了平流層臭氧的濃度；第二種解釋認(rèn)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(jié)果；此外，美國科學(xué)家莫里納（Molina） 和羅蘭德（Rowland） 提出，人工合成的一些含氯和含溴的物質(zhì)是造成南極臭氧洞的元兇，最典型的是氟氯碳化合物（CFCs，俗稱氟里昂）和含溴化合物哈龍（Halons）。越來越多的科學(xué)證據(jù)否定了前兩種觀點，而證實氯和溴在平流層通過催化化學(xué)過程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因。
那么，氟里昂和哈龍是怎樣進(jìn)入平流層，又是如何引起臭氧層破壞的呢？
我們知道，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(xué)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(wěn)定，不能通過一般的大氣化學(xué)反應(yīng)去除。經(jīng)過一兩年的時間，這些化合物會在全球范圍內(nèi)的對流層分布均勻，然后主要在熱帶地區(qū)上空被大氣環(huán)流帶入到平流層，風(fēng)又將它們從低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)輸送，在平流層內(nèi)混合均勻。
在平流層內(nèi)，強(qiáng)烈的紫外線照射使CFCs 和Halons分子發(fā)生解離，釋放出高活性的原子態(tài)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(zhì)，它們對臭氧的破壞是以催化的方式進(jìn)行的：Cl + O3 →ClO + O2ClO + O →Cl + O2
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(jù)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(xié)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(xué)反應(yīng)并不能解釋南極臭氧洞形成的全部過程。深入的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，臭氧洞的形成是有空氣動力學(xué)過程參與的非均相催化反應(yīng)過程。所謂非均相，是指大氣中除氣態(tài)組分外，還有固相和液相的組分。人們對大氣中存在云、霧和降雨等早已司空見慣，但這種現(xiàn)象一般發(fā)生在對流層。平流層干燥寒冷，空氣稀薄，較少出現(xiàn)對流層這些天氣現(xiàn)象。但在冬天，南極地區(qū)的溫度極低，可以達(dá)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(qiáng)烈的西向環(huán)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余部分隔離，從而使渦旋內(nèi)部的大氣成為一個巨大的反應(yīng)器。另外，盡管南極空氣十分干燥，極低的溫度使該地區(qū)仍有成云過程，云滴的主要成分是三水合硝酸（HNO33H2O）和冰晶，稱為極地平流層云(Polar Stratospheric clouds)。
實際上，當(dāng)CFCs 和Halons進(jìn)入平流層后，通常是以化學(xué)惰性的形態(tài)（ClONO2和HCl）而存在，并無原子態(tài)的活性氯和溴的釋放。南極的科學(xué)考察和實驗室的研究都證明，化學(xué)惰性的ClONO2和HCl 在平流層云表面會發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：ClONO2 + HCl → Cl2 + HNO3ClONO2 + H2O → HOCl + HNO3
生成的HNO3 被保留在云滴相中。當(dāng)云滴成長到一定的程度后將會沉降到對流層，與此同時也使HNO3從平流層去除，其結(jié)果是造成Cl2 和HOCl 等組分的不斷積累。
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(jī)會很小。當(dāng)春天來臨時，陽光返回南極地區(qū)，太陽輻射中的紫外射線使Cl2 和HOCl開始發(fā)生大量的光解，產(chǎn)生前述的均相催化過程所需的大量的原子氯，從而造成嚴(yán)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(xié)同機(jī)制可以解釋大約20%。 隨后更多的太陽光到達(dá)南極，南極地區(qū)的溫度上升，氣象條件發(fā)生變化，結(jié)果是南極渦旋逐漸消失，南極地區(qū)臭氧濃度極低的空氣傳輸?shù)降厍虻钠渌呔暥群椭芯暥鹊貐^(qū)，造成全球范圍的臭氧濃度下降。
北極也發(fā)生與南極同樣的空氣動力學(xué)和化學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)在每年的一月至二月生成北極渦旋，并發(fā)現(xiàn)有北極平流層云的存在。在渦旋內(nèi)活性氯（ClO）占氯總量的85% 以上，同時測到與南極渦旋內(nèi)濃度相當(dāng)?shù)幕钚凿澹˙rO）的濃度。但由于北極不存在類似南極的冰川，加上氣象條件的差異，北極渦旋的溫度遠(yuǎn)較南極高，而且北極平流層云的量也比南極少得多，因此目前北極的臭氧層破壞還沒有達(dá)到出現(xiàn)又一個臭氧洞的程度。
因此，南極臭氧洞的形成是包含大氣化學(xué)、氣象學(xué)變化的非均相的復(fù)雜過程，但其產(chǎn)生根源是地球表面人為活動產(chǎn)生的氟里昂和哈龍，曾經(jīng)是一個謎團(tuán)的臭氧洞得到了清晰的定量的科學(xué)解釋。但是令科學(xué)家和社會各界憂慮的是， CFCs和Halons 具有很長的大氣壽命，一旦進(jìn)入大氣就很難去除，這意味著它們對臭氧層的破壞會持續(xù)一個漫長的過程，臭氧層正受到來自人類活動的巨大威脅。
為了評估各種臭氧層損耗物質(zhì)對全球臭氧破壞的相對能力，科學(xué)上采用了“臭氧損耗潛勢”（Ozone Depletion Potential, ODP）這一參數(shù)。臭氧損耗潛勢是指在某種物質(zhì)的大氣壽命期間內(nèi)，該物質(zhì)造成的全球臭氧損失相對于相同質(zhì)量的CFC-11的排放所造成的臭氧損失的比值。在大氣化學(xué)模式計算中，某物質(zhì)X的ODP值可以表示為：
ODP=單位物質(zhì)X引起的全球臭氧減少/單位質(zhì)量的CFC-11引起的全球臭氧減少
臭氧損耗物質(zhì)的大氣濃度分布及參與的大氣化學(xué)過程是影響其ODP 值的主要因素。由于對這些因素的處理方式不同，不同的研究者得到的臭氧損耗物質(zhì)的ODP值存在一定的差異，但各類臭氧層損耗物質(zhì)的ODP 值的次序大體一致：含氫的氟氯烴化合物的ODP 值遠(yuǎn)較氟里昂低，而許多哈龍類化合物對平流層的破壞能力大大超過氟里昂。這些研究為決策者指定臭氧層損耗物質(zhì)的淘汰戰(zhàn)略和替代方案提供了有力的科學(xué)依據(jù)。
