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臭氧的（簡(jiǎn)介，平衡，消耗）
Release Time：2021-09-14臭氧的簡(jiǎn)介
臭氧 (O3) 是一種相對(duì)不穩(wěn)定的分子，由三個(gè)氧 (O) 原子組成。雖然它只占大氣的一小部分，但臭氧對(duì)地球上的生命至關(guān)重要。根據(jù)臭氧所在的位置，它可以保護(hù)或傷害地球上的生命。大多數(shù)臭氧存在于平流層（我們上方 10 至 40 公里之間的大氣層），在那里它充當(dāng)保護(hù)地球表面免受太陽(yáng)有害紫外線輻射的屏障。隨著這種屏障的減弱，我們將更容易患皮膚癌、白內(nèi)障和免疫系統(tǒng)受損。在對(duì)流層（距地表約 10 公里的大氣層）中更靠近地球，臭氧是一種有害污染物，會(huì)對(duì)肺組織和植物造成損害。大氣中“好”平流層和“壞”對(duì)流層臭氧的數(shù)量取決于產(chǎn)生臭氧的過(guò)程和破壞臭氧的過(guò)程之間的平衡。臭氧平衡的紊亂會(huì)對(duì)地球上的生命產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，因?yàn)榭茖W(xué)家們正在尋找證據(jù)表明臭氧水平正在發(fā)生變化——我們呼吸的空氣中“壞”的對(duì)流層臭氧正在增加，而“好的”平流層臭氧正在減少。
臭氧的平衡
在平流層，臭氧主要由紫外線輻射產(chǎn)生。當(dāng)高能紫外線照射普通氧分子 (O2) 時(shí)，它們會(huì)將分子分裂成兩個(gè)單獨(dú)的氧原子，稱為原子氧。一個(gè)游離的氧原子然后與另一個(gè)氧分子結(jié)合形成一個(gè)臭氧分子。我們的大氣中有太多的氧氣，以至于這些高能紫外線在平流層中完全被吸收了。臭氧非常有價(jià)值，因?yàn)樗梢晕找幌盗凶贤饩€能量。當(dāng)臭氧分子甚至吸收低能量的紫外線輻射時(shí)，它就會(huì)分裂成一個(gè)普通的氧分子和一個(gè)游離的氧原子。通常這個(gè)游離氧原子會(huì)迅速與一個(gè)氧分子重新結(jié)合形成另一個(gè)臭氧分子。由于這種“臭氧-氧氣循環(huán)”，有害的紫外線輻射不斷轉(zhuǎn)化為熱量。“臭氧-氧氣循環(huán)”以外的自然反應(yīng)也會(huì)影響平流層中臭氧的濃度。由于臭氧和游離氧原子極不穩(wěn)定，它們很容易與地球大氣中天然存在的氮、氫、氯和溴化合物（從陸地和海洋來(lái)源釋放）發(fā)生反應(yīng)。例如，單個(gè)氯原子可以將臭氧轉(zhuǎn)化為氧分子，這種臭氧損失平衡了高能紫外線撞擊氧分子所產(chǎn)生的臭氧。除了自然臭氧平衡之外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)臭氧水平會(huì)定期變化，這是定期自然循環(huán)的一部分，例如季節(jié)變化、風(fēng)和長(zhǎng)時(shí)間尺度的太陽(yáng)變化。此外，火山爆發(fā)可能會(huì)將物質(zhì)注入平流層，從而導(dǎo)致臭氧破壞加劇。
在地球的整個(gè)生命周期中，自然過(guò)程調(diào)節(jié)了平流層中臭氧的平衡。理解臭氧平衡的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是考慮一個(gè)漏桶。只要水以與漏水相同的速度倒入桶中，桶中的水量或水位將保持不變。同樣，只要臭氧以與其被破壞的速度相同的速度產(chǎn)生，臭氧的總量就會(huì)保持不變。然而，從 1970 年代初開(kāi)始，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了人類(lèi)活動(dòng)正在破壞臭氧平衡的證據(jù)。人類(lèi)對(duì)氯氟烴 (CFC) 等含氯化學(xué)品的生產(chǎn)增加了破壞臭氧的額外因素。CFC 是由氯、氟和碳結(jié)合而成的化合物。因?yàn)樗鼈兪菢O其穩(wěn)定的分子，所以 CFC 不容易與低層大氣中的其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)?？梢苑纸?CFC 分子的少數(shù)力量之一是紫外線輻射。在低層大氣中，臭氧層本身可以保護(hù) CFC 免受紫外線輻射。因此，CFC 分子能夠完整地向上遷移到平流層。盡管 CFC 分子比空氣重，但氣流和大氣的混合過(guò)程將它們帶入平流層。一旦進(jìn)入平流層，CFC 分子就不再受到臭氧層的紫外線輻射的保護(hù)。在太陽(yáng)紫外線能量的轟擊下，CFC 分子分解并釋放出氯原子。游離氯原子然后與臭氧分子反應(yīng)，帶走一個(gè)氧原子形成一氧化氯，留下一個(gè)普通的氧分子。
如果一個(gè) CFC 分子釋放的每個(gè)氯原子只破壞一個(gè)臭氧分子，那么 CFC 對(duì)臭氧層的威脅就很小。然而，當(dāng)一氧化氯分子遇到一個(gè)游離的氧原子時(shí)，氧原子會(huì)分解一氧化氯，竊取氧原子并將氯原子釋放回平流層以破壞更多的臭氧。這種反應(yīng)一遍又一遍地發(fā)生，讓單個(gè)氯原子充當(dāng)催化劑，破壞許多臭氧分子。幸運(yùn)的是，氯原子不會(huì)永遠(yuǎn)留在平流層中。當(dāng)游離氯原子與甲烷 (CH4) 等氣體發(fā)生反應(yīng)時(shí)，它會(huì)結(jié)合成一個(gè)氯化氫 (HCl) 分子，該分子可以從平流層向下攜帶到對(duì)流層，在那里它可以被雨水沖走。因此，如果人類(lèi)停止將氟氯化碳和其他破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)放入平流層，臭氧層最終可能會(huì)自我修復(fù)。
臭氧的消耗
“臭氧消耗”一詞不僅意味著臭氧的自然破壞，還意味著臭氧損失超過(guò)了臭氧的產(chǎn)生。將額外的破壞臭氧層的化合物（例如 CFC）放入大氣中就像增加我們臭氧“桶”中的孔洞的大小。較大的孔導(dǎo)致臭氧以比產(chǎn)生臭氧更快的速度泄漏。因此，保護(hù)??我們免受紫外線輻射的臭氧水平降低。
在過(guò)去的 15 年中，在南極和北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)了另一種快速破壞臭氧的機(jī)制。在各自的冬季，在地球兩極上空，平流層冷卻到非常冷的溫度，并形成極地平流層云 (PSC)。在極地平流層中，幾乎所有的氯都以不與臭氧或彼此發(fā)生反應(yīng)的不活潑或“儲(chǔ)存”氣體的形式存在，例如氯化氫 (HCl) 和硝酸氯 (ClONO2)。然而，這些“蓄水池”氯氣會(huì)在極地平流層云粒子表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將氯氣轉(zhuǎn)化為非常活潑的形式，從而迅速破壞臭氧。這種“極性化學(xué)” 平流層云粒子導(dǎo)致南極洲和北極上空的臭氧濃度大幅下降。事實(shí)上，南極洲春季臭氧水平下降得如此之低，以至于科學(xué)家將這種損失描述為“南極臭氧空洞”。
自 1920 年代以來(lái)，臭氧已通過(guò)地面儀器進(jìn)行測(cè)量。科學(xué)家們?cè)谌蚋鞯胤胖脙x器，以測(cè)量每個(gè)地點(diǎn)穿過(guò)大氣層的紫外線輻射量。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，他們計(jì)算出該位置上方大氣中的臭氧濃度。這些數(shù)據(jù)雖然有助于了解臭氧，但無(wú)法提供全球臭氧濃度的充分圖景。全球平流層中臭氧分子的數(shù)量和分布差異很大。臭氧分子在平流層周?chē)鷤鬏?，就像水云在?duì)流層中傳輸一樣。因此，僅僅觀察一個(gè)點(diǎn)的臭氧波動(dòng)的科學(xué)家無(wú)法知道局部臭氧水平的變化是否意味著全球臭氧水平的改變，或者僅僅是該特定點(diǎn)的濃度波動(dòng)。衛(wèi)星使科學(xué)家有能力解決這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兲峁┝苏麄€(gè)地球每天發(fā)生的事情的圖片。由美國(guó)宇航局和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局 (NOAA) 聯(lián)合運(yùn)行的美國(guó)臭氧衛(wèi)星測(cè)量計(jì)劃按季節(jié)、緯度和經(jīng)度測(cè)量了臭氧分布，并使用各種衛(wèi)星儀器觀察了 20 多年的長(zhǎng)期變化。今天使用的儀器將在未來(lái)五到十年內(nèi)被新一代改進(jìn)的、更復(fù)雜的儀器所取代。世界范圍內(nèi)的平流層臭氧正在耗盡——部分原因是人類(lèi)活動(dòng)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在知道，極地臭氧的大量損失是人類(lèi)產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)影響的直接結(jié)果。然而，科學(xué)家們?nèi)匀徊恢乐芯暥葥p失有多少是人類(lèi)活動(dòng)的結(jié)果，有多少是自然周期波動(dòng)的結(jié)果。
