臭氧层破坏原因、危害及其防治对策

环境化学学习与思考论文 标 题: 臭氧层破坏原因、危害及其防治对策 专 业: 应用化学 班 级: 1201班 学 号: 2012310200101 姓 名: 徐永忠 指导老师: 胡先文 湖北?武汉 二〇一四年十一月 臭氧层破坏原因、危害及其防治对策 摘要:臭氧层是指距离地表15,50km处臭氧分子相对富集的大气平流层.它能吸收99%以上对人类有害的太阳紫外线,保护地球上的生命免遭短波紫外线的伤害.因此,臭氧层被誉为地球上生物生存繁衍的保护伞.然而,近20多年来,地球上的臭氧层正在遭到破坏.目前,如何防止臭氧层遭破坏已成为人类面临的全球性环境问题之一. 引言:臭氧层是大气中臭氧相对集中的层面,一般是指10千米,50千米高度之间的大气层,因受太阳紫外线的光化作用,其臭氧含量的百分率比较高,尤其是在20千米,25千米的高度处。由于太阳辐射的紫外线和大气中的氧气、氧原子的含量有随大气高度增减而变化的规律,在平流层内便形成了臭氧的聚集区。大气中的臭氧除了具有随高度分布的规律外,而且还随纬度和季节的不同以及昼夜交替而变化。在臭氧层里,其实臭氧的浓度是很稀的,即使在浓度最大处,所含臭氧量也不过大约10ppm。若将大气臭氧总量订正到海平面上,它只有0.15厘米,0.45厘米(平均为0.3厘米)的厚度。大气中的臭氧的含量虽然很少,但是它在地球环境中所起的作用却非常重要。第一,它是地球生物的保护伞。因为臭氧层阻挡了太阳辐射中的大部分紫外线,使地面生物免受紫外线的伤害,而少量穿透大气层到达地面的紫外线对人类和生物则是有益的。第二,它是引起气候变化的重要因素。臭氧对太阳紫外线辐射的吸收是平流层的主要热源,平流层臭氧浓度及其随高度的分布直接影响平流层的温度结构,从而对大气环流和地球气候的形成起着重要作用,因此,平流层臭氧浓度的变化是大气的重要扰动因子。 一、臭氧层破坏的现状 由于臭氧有其特殊的性质,并易受各种因素的影响,所以臭氧层又是十分脆弱的。卫星观测资料表明,自20世纪70年代以来,全球臭氧总量明显减少,1979年,1990年,全球臭氧总量大致下降了3%。南极附近臭氧量减少尤为严重,大约低于全球臭氧平均值30%,40%,出现了“南极臭氧洞”。自1985年发现“臭氧洞”以来,到1987年它变得既宽又深,1988年虽然有所缓解,但1989年以后到90年代的前几年里,每年南半球春季都出现很强的“臭洞”,1994年到1996年南极臭氧洞还在扩大。最近,从安装在俄罗斯和美国卫星上的探测器发回的数据获悉,“南极臭氧洞”面积已达2400平方千米,最薄处只有100多布森单位(100dobson,相当于1毫米厚度)。 以上情况表明,臭氧层这个地球生命的保护伞,正在遭到严重的破坏,研究其原因和机制并提出切实可行的保护措施,已成为全世界共同面临的 [5] 重大问题。 二、臭氧层破坏的原因 关于臭氧层变化及破坏的原因,一般认为,太阳活动引起的太阳辐射强度变化,大气运动引起的大气温度场和压力场的变化以及与臭氧生成有关的化学成分的移动、输送都将对臭氧的光化学平衡产生影响,从而影响臭氧的浓度和分布。而化学反应物的引入,则将直接地参与反应而对臭氧浓度产生更大的影响。人类活动的影响,主要表现为对消耗臭氧层物质的生产、消费和排放方面。大气中的臭氧可以与许多物质起反应而被消耗和破坏。在所有与臭氧起反应的物质中,最简单而又最活泼的是含碳、氢、氯和氮几种元素的化学物质,如氧化亚氮(NO)、水蒸汽(HO)、四氯化碳(CCl)、甲烷224(CH)和现在最受重视的氯氟烃(CFC)等。这些物质在低层大气层正常情况4 下是稳定的,但在平流层受紫外线照射活化后,就变成了臭氧消耗物质。这种反应消耗掉平流层中的臭氧,打破了臭氧的平衡,导致地面紫外线辐射的 [1] 增加,从而给地球生态和人类带来一系列问题 1.臭氧的平衡 在自然状态下,大气层中的臭氧是处于动态平衡状态的,当大气层中没有其它化学物质存在时,臭氧的形成和破坏速度几乎是相同的。然而大气中有一些气体,例如亚硝酸、甲基氧、甲烷、四氯化碳,以及同时含有氯与氟(或溴)的化学物质,如CFC和哈龙等,它们能长期滞留在大气层中,并最终从对流层进入平流层,在紫外线辐射下,形成含氟、氯、氮、氢、溴的活性基因,剧烈地与臭氧起反应而破坏臭氧。这类物质进入平流层的量虽然很少,但因起催化剂作用,自身消耗甚少,而对臭氧的破坏作用十分严重,导致臭氧平 [9] 衡的打破,浓度下降,这就是目前臭氧问题的症结所在。 2.氯氟烷烃与臭氧层 氯氟烷烃是一类化学性质稳定的人工源物质,在大气对流层中不易分解,寿命可长达几十年甚至上百年。但它进入平流层后,受到强烈的紫外线照射,就会分解产生氯游离基Cl?,氯游离基与臭氧分子O作用生成氧化3氯游离基。ClO?和氧分子O消耗掉臭氧进而氧化氮游离基再与臭氧分子作2 用生成氯游离基,如此,氯游离基不断产生,又不断与臭氧分子作用,使一个 [6]CFC分子可以消耗掉成千上万个臭氧分子。其主要反应式如下(以CFC-11 [7]为例): 氟氯烷烃 hv HO2 .Cl Cl2 + O2不稳定的O.3ClO .hvCl 作为臭氧层破坏元凶而被人们高度重视的CFC,有5种物质为“特定氟里昂”,它们主要用作致冷剂、发泡剂、清洗剂等。其产品一直在增加,直到知道利用CFC作气溶胶的潜在危险后才开始下降,通过实施控制措施,特定氟里昂的生产量由1986年的113万吨减少为1991年的68万吨,削弱了 [8] 40%。 3.溴化物与臭氧层 世界气象组织认为,溴比氯对整个平流层中臭氧的催化破坏作用可能更大。南极地区臭氧的减少至少有2%是溴的作用所致。有人指出,在对极地臭氧的破坏中,BrO与ClO反应可能起重要作用: ??BrO+ClO ? Br+Cl+O 2 ?Br+O? BrO+O 3 2 ?Cl+O ? ClO+O32 整个反应使2O ? 3O。 32 对极地平流层的BrO和ClO的观察支持这种观点,并由此认为南极地区臭氧破坏的20%,30%是由溴引起的,而且认为,溴对北半球臭氧的破坏可能更加严重。所以溴化物的量虽少,作用却不可低估。 4.氮氧化物与臭氧层 氮氧化物系列中的NO(氧化亚氮),化学性质稳定,至今还不清楚它2 对生物的直接影响,因而还未列为大气污染物。但是,NO同氯氟烃一样能破2 坏平流层臭氧,同二氧化碳一样,也是一种温室气体,并且其单个分子的温室效应能力是CO分子的100倍。 2 三、臭氧层破坏的影响 1.臭氧层破坏对人类健康的影响 由于臭氧层的破坏,太阳紫外线中以往极少能到达地面的短波紫外线也将增加,使得皮肤病和白内障患者将会增加。据统计,臭氧层减少1%可使有害的波长为280,320纳米的紫外线增加2%,其结果是皮肤病的发病率将提高2%,4%。现在,距南极洲较近的居民已饱尝臭氧层空洞带来的痛苦,如居住在智利南端的海伦娜岬角的居民,只要走出家门,就一定要在衣服遮不住的肤面涂上防晒油,再戴上太阳镜,否则半小时后皮肤就被晒成鲜艳的粉 [2]红色,并伴有搔痒病。 2.臭氧层破坏对生物的影响 虽然植物已发展了对抗UV-8高水平的保护性机制,但实验研究表明,它们对波长为280,320纳米水平增加的应变能力差异甚大。迄今为止,已对200多种不同的植物进行了波长为280,320纳米的紫外线敏感性试验,发现其中2/3产生了反应。敏感的物种如棉花、豌豆、大豆、甜瓜和卷心菜,都发现生长缓慢,有些花粉不能萌发。它能损伤植物激素和叶绿素,从而 [3]使光合作用降低。 3. 臭氧层破坏对全球气候的影响 平流层中臭氧对气候调节具有两种相反的效应:如果平流层中臭氧浓度降低,在这里吸收掉的紫外线辐射就会相应减少,平流层自身会变冷,这样释放出的红外辐射就会减少,因之会使地球变冷。另一方面,因辐射到地面的紫外线辐射量增加,会使地球增温变暖。如果整个平流层中臭氧浓度的减少是均匀的,则上述两种效应可以互相抵消,但是如果平流层的不同区域的臭氧层浓度降低不一致,两种效应就不会相互抵消。现在的状况是,平流层臭氧层减少呈不均匀减少趋势,这种变化的净效应如何,还有待科学研究 [4] 进一步证实。 四、保护臭氧层的对策 1.国际间反应 自20世纪70年代提出臭氧层正在受到耗蚀的科学论点以来,联合国环境规划署意识到,保护臭氧层应作为全球环境问题,需要全球合作行动,并将此问题纳入议事日程,召开了多次国际会议,为制订全球性的保护公约和 [2]合作行动作了大量的工作。 1977年,通过了《臭氧层行动世界》,并成立“国际臭氧层协调委员会” 1985年和1987年分别签署了《保护臭氧层维也纳公约》和《消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。议定书最初的控制时间表是分阶段地减少特定氟利昂的生产和消费量。到20世纪末减至1986年水平的一半。但是,如果预测大气中包括破坏臭氧物质(有机氯化合物)、全氯浓度今后的动态,则可知即使氟利昂的排放减半,破坏臭氧层物质依然会持续增加,它们对臭氧层的威胁也会不断增加。因而,为了控制这种趋势,使大气臭氧层的状态恢复到臭氧空洞出现之前的状态,必须全面禁止破坏臭氧层物质的使用。因此,1990年6月在伦敦召开的蒙特利尔议定书缔约国会议上,对原议定书进行了大幅度强化控制的修改,提出到2000年要全面禁止特定氟利昂的使用。同时将四氯化碳和三氯乙烷增列为新的破坏臭氧层物质,提出这些物质也要在2000年,2005年之间全面禁止使用。另一方面,由于分子内部含有氢的同类物质(HCFC)在对流层中的寿命比较短,只有很少部分能够到达平流层,所以作为“替代氟利昂”进行替代品开发。但对这些物质,也应当限制其向大气的排放,故决定从1996年开始冻结和阶段性削减生产,直至2020年基本取消,代之以对臭氧层完全无害的物质。鉴于全世纪对环境保护的日益重视,1995年在维也纳公约签署的10周年之际,150多个国家参加的维也纳臭氧层国际会议规定,将发达国家全面停止使用CFC的期限提前到2000年;发展中国家则在2016年冻结使用,2040年淘汰。我国积极参与了国际保护臭氧层合作,并制订了《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家》 2.CFCs替代品的研制 冷媒、喷雾推进剂、发泡剂为现代生活的必需品,仍需持续的使用,因此,找寻CFCs的替代品是当务之急。目前已有使用丁烷、液化石油气和异丙醇等取代CFCs作为喷雾推进剂,也发展出CFC123和CFC134a等对臭氧层破坏轻微的化合物,取代CFC11和CFC12作为冷媒和发泡剂等用途。电子产品的清洗溶剂,也改用各种水溶液代替;目前被大量使用于取代CFCs及哈龙的替代品HFCs(氢氟碳化物)等物质,曾被指出对地球温暖化有推波助澜的作用,会造成光化学烟雾,使对流层臭氧量增加,有关HFCs的使用仍待审慎观测及评估。现在许多氯氟烃代用品已在销售或正在调研,但尚无每一方面都理想的代用制冷剂。一些试验品在一段时间内还不会有商业性销售,尤其因为安全方面的考虑还必须对毒性和可燃性进行严格测试,而且环境效应的可靠数值需要很多年才能查明。国家环保总局的朱云女士介绍说,对汽车空调来讲,目前最合适的CFC—12代用品是HFC—134a,但后者的制 [2]冷效率要比前者降低15%,20%。 3 积极开展保护臭氧层宣传教育工作 每年的9月16日为国际臭氧日,议定书各缔约方在促进经济与社会发展的同时,已逐渐重视臭氧层的保护,不断开展必要的宣传活动,进一步引起社会与民众对保护臭氧层的重视,不使用危害臭氧层的物质,同时鼓励推 [3]广对环境和人类健康无害的替代物质。 五(思考与感悟 作为当代大学生我们应牢记教训,认清地球的涵育和容忍能力并不是无限的,稍不慎的生产与制造,都可能导致地球上的生命面临危机。保护臭氧层虽然困难重重,但在各国政府的高度重视和有关人员的努力工作下,已经迈出了实质性的步伐,但是光有这些还不够，同时还需要我们每一个人都参与到保护臭氧层的工作中。这样，令人恐怖的臭氧“空洞”终将在人类的共同关注下永远消逝。 参考文献: [1] 胡良民 阎卫阳 论臭氧层破坏与保护 河南大学环境与规划学院 475001 中国地教学参考 2001 NO.5 [2]吴香梅 浅谈臭氧层破坏的环境影响及控制对策 丽水师范专科学校 化学系,浙江丽水 323000) [3]臭氧层破坏及其对人类危害 辽宁省卫生防疫站(沈阳n0050 张利 伯 成玉林 中国公共卫生1993年第9卷第10期 [4]臭氧层的破坏及其影响 李莉 (河北理工学院轻工分院河北唐山肠 3002 河北理工学院学报(社会科学版) 1232[5]大气臭氧化学研究进展 贾 龙 葛茂发 徐永福 杜 林 庄国 12 顺王殿勋 (1.北京师范大学大气环境研究中心 北京100875;2.中国科学院化 学研究所北京分子科学国家实验室 北京100080;3.中国科学院大气 物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室 北京 100029) [6]氯氟烷烃清洗剂对臭氧层的破坏 朱家淇 718厂高级师 制造 工艺 [7] CH2X(X=H,F,Cl)与臭氧反应机理的量子化学研究 李来才 邹勤 田安民 化学学报2003年第61卷 第10期,1524,1527 [8]氯氟烷烃与温室效应_冯元恭 上海环境化学 [9]对流层中的氯氟烷烃_范保安 有机氯工业