摘 要：臭氧层是指大气的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。它的存在对地球上各种生物的的健康生存有着极其重要的作用，随着人类的不断发展，大量使用ODS, 使得臭氧层被大量消耗, 进而出现了臭氧层空洞, 人类以及各种生物的生存环境不断恶化。本文就臭氧层的作用、臭氧层空洞的研究进展作综述，并提出相关保护与治理对策。
关键词：臭氧层；
空洞；
ODS；
保护对策
随着工农业技术的迅猛发展, 人类赖以生存的环境正受到前所未有的破坏和污染。近三十年来, 人们逐步认识到平流层大气中的臭氧正在遭到越来越严重的破坏。由于臭氧层破坏已经成为当今危害人类生存环境的全球性问题之一, 引起了各界人士的密切关注。各国政府及科学家们正不断地研究探索保护臭氧层的方法。1895年10月,英像科学家发现南极洲上空出现一个巨大的“空洞”。1988年科科学家们确认这个“空洞”是由于 各种氟氯烃化合物排放积聚所致。在北半球也发现臭氧含量降低了 3%左右。臭氧层耗减速度如此之快,将给人类带来具大的灾难。
一、臭氧与臭氧层
臭氧（O3）是氧气（O2）的一种同素异形体, 存在于地球大气的对流层和平流层中【1】。对流层中的臭氧对人类和生物环境都是有害的,但其含量甚微。90% 的臭氧集中在平流层里, 形成了一道天然的屏障, 有效地吸收了对生态系统有害的紫外线, 从而保护了地球上的生命。由于平流层中含有绝大多数的臭氧并且这些臭氧发挥着巨大的作用, 因而平流层又被称为臭氧层【2】
1.臭氧的成分
臭氧层主要由臭氧构成,臭氧由三个氧原子构成。臭氧的分子式为O3,是构成地球大气若干种气体中的一种有臭味、常温下为浅蓝色的气体,也是一种难溶于水的强氧化剂,现代生活中常用于消毒、洗涤等。臭氧是构成地球大气层数十种气体中的一种微量气体,总含量还不到地球大气分子数的百万分之一。
2.臭氧的作用
虽然紫外辐射只占太阳总发射能量的5% 左右, 但是它对生态系统具有很强的危害性。而且能量越高, 危害越大。臭氧层对紫外线有着极强的吸收作用, 能够吸收99%的高强度紫外线, 从而阻挡了紫外线伤害人类及生存环境。因而, 臭氧的存在对于地球上生物是至关重要的。有人形象地把臭氧层比喻为地球的保护伞。
二、臭氧层的破坏
美、日、英、俄等国家科学家联合观察发现, 在北极上空臭氧层已形成面积约为南极臭氧空洞三分之一的北极臭氧空洞。中国大气物理及气象学家观测也发现, 在我国青藏高原上空的臭氧正以每十年2.7%的速度减少, 已经成为大气中第三个臭氧空洞。
1.臭氧层的破坏
20世纪30年代, 含氟的制冷剂发明后,在美国进入商业化生产, 前苏联、日本和欧洲各国也不甘落后, 氟利昂的应用范围也由制冷剂扩展到发泡剂和气雾剂, 其产量也与日剧增。到 1986 年, 全球消耗臭氧层的物质( ODS) 的年消耗量高达 100 多万吨。由于大量生产和使用 ODS, 臭氧层已受到严重的破
坏, 局部地区还出现了臭氧层空洞。
美国宇航局观测的资料表明, 自1969年以来,全球除赤道以外,所有地区臭氧层中臭氧的含量减少了3% —5%, 全球臭氧层都已受到损坏。1985年,英国科学家首先发现南极臭氧层已出现了空洞。此外,北极、青藏高原也出现了臭氧层空洞, 欧洲和其它高纬度地区的臭氧层均受到了不同程度的破坏。进一步的研究表明, 臭氧层空洞的深度和面积仍在继续扩大, 出现的时间也在不断延长。1995 年, 臭氧层空洞的发生期为77天；
1998年,则持续了100天, 而且臭氧层空洞的面积比 1997年增大了15% 。
2000年1月22日, 世界各地的 350 多位科学家, 聚集到瑞典北部进行一项臭氧层空洞研究。科学家们认为, 去年年底和今年1月的严寒, 已经使北极上空的臭氧层变薄。研究表明, 平流层中高浓度的破坏臭氧层物质, 在不正常的低温作用下, 可使原有的臭氧层空洞变大。在过去的岁月里, 北半球上空的臭氧每十年就要减少 3% 。
2.臭氧层破坏的危害
臭氧层被大量耗损后, 吸收紫外线的能力大大减弱, 导致到达地面的紫外线明显增加, 对人类及其生存环境极为不利。试验证明, 紫外线会损伤角膜和眼晶体,引发白内障、眼晶体变形。据分析, 平流层的臭氧减少 10% , 全球白内障的发病率将增加6%—8% , 因白内障而引起失明的人数将增加 10—15 万人。紫外线的增加还会诱发呼吸道疾病、巴塞尔皮肤瘤、鳞状皮肤瘤和恶性黑瘤。臭氧浓度下降 10%, 恶性皮肤瘤的发病率将增加 26%。此外, 皮肤的免疫功能也会因紫外线的强烈辐射而受损伤, 人体抵抗疾病的能力大大降低, 大量疾病会乘虚而入。强烈的紫外辐射还会加快人体皮肤的老化速度。
臭氧层被破坏后, 地球上的植物也同样难以幸免。近十几年来, 人们对 200 多个品种的植物进行了增加紫外线照射的试验, 发现有三分之二的植物显示出感性。一般来敏感性，一般来说, 紫外辐射的增加使植物的叶片变小, 因而减少了吸收阳光的有效面积, 进而削弱了植物的光合作用。对大豆研究的初步结果表明, 紫外辐射会使其更容易受到杂草和病虫害的损害。据估计, 臭氧层厚度减少 25%,可使大豆减产20% —25%【3】。
紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。同时, 还会使城市内的烟雾加剧,使橡胶、塑料等有机材料加速老化, 使油漆褪色等。1943年,1955年和1970 年, 在洛杉矶先197年在洛杉矶先后出现的光化学烟雾事件就是由于汽油燃烧后产生碳氢化合物等在紫外光线照射下引起的, 使该市大多数市民患了红眼病和头疼病。
科学家指出, 除去上述已经确定的危害外,臭氧层破坏产生的其它不良影响尚在研究之中。由于地球生态系统是一个环环相扣的整体, 任何一个子系统的破坏都会引起难坏都会引起难以预料的连锁反应。
3.臭氧层破坏的有因
破坏臭氧层的元凶是氯氟烃、溴氟烷烃以及氮氧化物。氯氟烃, 即氟里昂( CFCs) , 主要应用于泡沫塑料、护发摩丝、灭火剂、杀虫剂、致冷剂的生产中；
溴氟烷烃,即哈龙( Halons),主要用作灭火剂。氯氟烃气体和溴氟烷烃气体一但被释放, 就会慢慢上升到地球大气圈的平流层中【4】。在那里, 紫外线会把氯氟烃和溴氟烷烃中的氯原子及溴原子分解出来, 氯原子和溴原子再把臭氧分子中的二个氧原子夺去, 使臭氧分子变成氧原子, 从而使其丧失吸收紫外线的能力。在臭氧层中, 氧原子(O)、氧分子（O2）和臭氧分子(O3)之间存在一个动态平衡,臭氧的化学性质很活泼, 极易与其它物质发生反应。在氮氧化物、氯、溴等活性物质及其他活性基团存在的条件下, 此平衡将被打破, 平衡向臭氧分解的方向移动。
由于 CFCS和Halons物质的化学性质很稳定, 因而在大气同温层中很容易聚集起来,其影响也将持续一个世纪或更长的时间。在强烈的紫外线辐射, 它们将被光解出氯原子和溴原子。这些原子即成为破坏臭氧的催化剂( 一个氯原子可以破坏 10 万个臭氧分子,而溴原子对臭氧的破坏能力是氯原子的 30—60倍)【5】。
三、臭氧空洞研究进展
中层大气臭氧的研究在整个大气臭氧研究中占有特殊地位。大气中的臭氧层主要由太阳紫外辐射对大气中氧分子的光解而形成,因此其含量主要集中在平流层中。臭氧浓度及其变化是决定平流层、中间层的物理、化学和动力学状态的重要因子。正是由于这一原因,一些国际和有关国家的中层大气研究计划中都把臭氧研究摆在重要位置。但是,对中层大气臭氧的研究是一件不容易的事,它涉及
平流层、中间层大气中辐射、化学和动力学状态,尤其是涉及臭氧及其有关气体复杂的光化学过程,其中有一些藕合和反馈过程至今尚不清楚,另外在探测技术上也有特殊的难度。这些正是中层大气臭氧研究,尤其是在探测技术方面进展缓慢的原因所在。近十多年来,激光探测技术和卫星遥感技术的应用使对平流层、中间层大气臭氧的探测取得了明显的进展。到目前为止,用在卫星(或其它空间飞行器)上对平流层、中间层大气臭氧进行遥感探测的各类仪器已达20多种,用于从地面探测平流层、中间层大气臭氧的专用或多用激光雷达也已有10多种。卫星遥感是获得中层大气臭氧信息的有效方法,其技术可分两大类,其一是借助安放在卫星上的相应仪器来探测天顶方向的后向紫外散射辐射的强度而获得臭氧资料,其典型仪器是放置在雨云7号卫星上的太阳后向散射紫外光谱仪(SBUV);另一类是在红外波段进行临边发射(或吸收)测量来获得不同高度上的臭氧信息,其代表性仪器是放置在雨云7号卫星上的平流层临边红外监测器(LIMS)。目前用于臭氧探测的激光遥感技术大多基于距离分辨率的差分吸收原理,其中使用最广泛的是Xe一Cl脉冲激光雷达【6】。
1.国内研究进展
我国在中层大气臭氧探测方面起步较晚,直到8o年代初期,随着激光、微波、平流层气球、计算机等技术的发展和在大气科学研究中的应用,随着全球变化以及日地物理等研究需求的迫切性的增加,高空大气臭氧探测技术和相应的研究才有了相应的发展,并且在近些年来获得了明显的进展。
（1）探测技术和方法
①球载臭氧分析仪技术的发展 80年代以来,我国高空科学气球技术得到了迅速发展并在空间天文、空间物理、大气物理、环境科学等领域进行了成功的实验研究。与此同时,借助高空科学气球测量高层大气臭氧的技术也得到了发展,并于80年代末首次在国内研制成功了球载臭氧分析仪,实现了对平流层臭氧的直接测量。球载臭氧分析仪属紫外吸收法类型,整套仪器包括样品气体采集、光度测量及数据采集处理三大部分。其工作原理是:让被测环境中含有臭氧的介质连续通过专门设计的样品池,同时选择对臭氧有较强吸收能力的紫外辐射通过该池,这样根据所选择波长处紫外辐射强度的变化来推断介质中臭氧的含量。实际测量时,球载臭氧分析仪及相应的电源、遥测、遥控等系统被放置在一个专用的吊篮内,除采样头外,其余部分均被保温材料封闭在吊篮内,由1一3万立方米的气球牵引施放。用专用雷达系统跟踪以随时监测气球的飞行状态,并按预定计划或需要控制气球的飞行高度和飞行时间,最后通过切割操作命令使吊篮脱离气球并借助降落伞着陆回收。采用本技术曾成功地获得了平流层中下部的臭氧资料【7】。
②大气臭氧探空仪 为适应我国中层大气臭氧研究的需求,在80年代末研制成功了用于直接测量大气臭氧垂直分布的电化学型大气臭氧探空仪,其工作原理是让大气中的臭氧与碘化钾溶液发生反应,根据所产生的传导电流大小来推断参与反应的臭氧量。臭氧探空仪的全套装置包括传感器(臭氧、大气温度和大气压力)、电信号处理、转换和发送系统以及地面接收和处理系统,对整套装置的结构合理性、测量时间常数、抽气泵的效率、臭氧反应中的电流转换效率及反应液的变化等参数在实验室内进行了多次测试,并对关键性部件进行了环境模拟试验。借助小型标准臭氧发生器和标准臭氧分析仪对臭氧传感器和臭氧探空仪整体进行标定。利用所研制的大气臭氧探空仪,从1989年开始曾先后在北京地区和南极中山站对大气中臭氧的垂直分布进行了直接测量,获得了0—30公里高度范围内的大气臭氧资料【8】。
③激光雷达探测技术 我国在应用激光雷达技术进行大气探测方面起步较早,并在激光大气遥感理论、能见度测量、平流层气溶胶探测等方面取得了可喜的进展。但是此项技术发展比较缓慢,与国外相应研究工作,尤其是在大气臭氧探测技术方面差距较大。近些年来,应用激光雷达技术探测大气臭氧及其它大气微
量气体工作受到了有关部门的关注并开始了有关理论研究和技术筹备工作。目前,国内有关单位已提出了利用激光雷达技术探测高层大气中的臭氧垂直分布的具体实施方案,作为第一步将采用丫AG倍频输出和xe一Q激光雷达进行距离差分吸收测量获得臭氧垂直分布资料,与此同时,喇曼频移及相应大气臭氧探测技术和理论研究工作也在相应发展【9】。
④地基微波遥感技术 这是国内近几年来发展的从地面探测中层大气臭氧浓度及其日变化的技术之一。观测所使用的设备实际上是一台带有望远镜系统的微波波谱仪,为提高信噪比采用了致
冷、锁相环、光声接收池等技术。此技术实际上是测量位于某一选定频率处(如110千兆)的臭氧转动发射谱线的轮廓,获得相应的亮度温度,然后反演得到臭氧浓度。调整观测频率,选择相应的权重函数可获得不同高度处的臭氧浓度及其变化特征。
⑤地基遥感反演方法 在地面获得的高分辨率太阳光谱中,含有不同高度大气组分的丰富信息,近些年来我国科学工作者利用半球辐射光谱强度比,用退卷积等方法,进行了反演大气臭氧总量和臭氧垂直分布的试验,并取得了较好结果。
⑥空间遥感反演方法卫星遥感是获得大范围、连续臭氧资料的有效手段。我国科学工作者发展了相应的反演技术并利用卫星遥感资料得到了平流层臭氧总量和臭氧的垂直分布曲线【10】。
（2）主要研究成果
①北京地区上空臭氧浓度分布和变化特征根据对地基遥感、直接测量和卫星资料反演等获得的资料的分析,基本上可以认为北京地区上空平流层臭氧的分布和变化具有如下特征:自1979年以来北京上空臭氧总量呈下降趋势,其中28公里以上臭氧变化率稍大于平流层下部的臭氧变化率;臭氧含量随高度的分布在多数情况下呈多层次分布结构,尤其是夏季,双峰分布结构明显,除位于20—25公里高度之间的臭氧极大值外,在10公里左右,往往出现次极大值【10】。
②北京地区上空臭氧含量的季节性变化初步研究结果表明中层大气中各层臭氧含量具有明显的季节变化,但位相不同。20公里以下臭氧含量的季节性变化
与臭氧柱总量的变化基本一致,即最大值在春季,秋季最小,在20—28公里层,极大值出现在冬季,在28一36公里层极大值在夏季,而36—60公里层臭氧极大值在11—12月,最小值在6月左右,对这种层次分布特征应予以相应的光化学过程和动力过程的解释【11】。
③40—60公里高度范围内的臭氧变化对微波观测和曙暮光观测资料的分析表明,臭氧量随高度的分布基本上呈波谷型和陡降型两种类型,并呈现明显的季节变化,即在这一高度范围内,冬季臭氧浓度总是比较高,夏季臭氧浓度总是比较低。
④我国大陆上空平流层臭氧分布特征利用卫星资料对我国上空三个纬度区域(20—30N,30—40N,40—50N)多年来月平均平流层臭氧量分析表明,三个区域的臭氧量均有显著的季节变化,北区和南区臭氧量季节变化几乎反相,即在20—30N区内臭氧量冬低夏高,而在40—50N区内臭氧量是冬高夏低,并且季节变化的振幅随纬度增高而增大,与此同时,臭氧浓度极大值的季节变化幅度也随纬度增
高而增大【12】。
⑤太阳活动对中层臭氧浓度变化的影响对太阳活动峰年和静年的曙暮光观测结果的分析表明,在中纬度地区,50公里左右高度上的臭氧浓度对太阳活动较为灵敏。从1989年到1995年,这个高度上臭氧浓度平均减少了8%左右(同期10.7厘米射电指数由200个单位下降至70个单位)【13】。不仅如此,太阳的瞬息性变化会直接影响到中层大气臭氧浓度的变化。强大的太阳耀斑和质子事件会引起强烈的地磁扰动,这期间在40—50公里高度范围内观测到了臭氧浓度的大幅度下降和中间层底部(50—60公里)臭氧浓度的增加,强大的太阳耀斑爆发可能是这种臭氧浓度变化的直接原因。此外,通过对较长期间在北纬10—70度各纬圈的年均臭氧量进行分析表明,在低纬度和高纬度区,臭氧总量对太阳活动22年周期变化响应较强,而中纬度地区,臭氧总量变化则对太阳活动11年周期变化有较强的响应【14】。
（3）南极大气臭氧空洞研究及主要结果
当前,南极臭氧洞研究已成为南极研究的重要内容,因为它直接关系到全球气候环境的变化,关系到对南极在全球变化中地位的评价。我国科学工作者在国家南极研究计划的支持下,对南极地区大气臭氧的变化进行了观测和分析研究。为此先后在中山站投人运行了天光光谱仪、Brewer臭氧测量、大气臭氧探空仪、激光雷达等观测设备。重点观测和研究的内容包括南极大陆地区大气臭氧总量的变化,南极臭氧洞期间大气臭氧的垂直分布特征,极地平流层云及其在南极臭氧洞形成和演变中作用等,同时开展了极区平流层多相化学过程及臭氧形成机理的模拟研究【15】。
研究结果表明:
①南极臭氧洞主要发生在8—11月期间,臭氧含量的耗损主要集中在平流
层下部。
②由于中山站地区处臭氧洞边缘,因此在臭氧洞期间观测到的中山站上空臭氧含量的垂直廓线图象比较复杂。同时,在短时间内臭氧浓度有较大幅度上升或下降的变化特征。
③极区平流层臭氧变化与硝酸三水合物(NA丁)凝结温度有明显关系,当平流层温度下降至低于NA下凝结温度以后,臭氧浓度首先停止下降,并经过一段时
后,臭氧浓度大幅度上升,但臭氧变化与NA丁凝结温度关系的变化过程并不是单调的【16】。
④从激光大气回波信号获得的平流层气溶胶浓度的垂直分布以及13一30公里高度范围内的气溶胶浓度表明,1993年南极平流层气溶胶粒子含量比1990
年明显增加,证实了南极冬季平流层云的存在。对流层气溶胶垂直剖面分析显示了1993年平流层气溶胶的双层结构,即12公里附近高度上始终存在着一层厚度为数公里的气溶胶层,25公里高度附近冬季有明显的气溶胶层,其它季节则变化
较大【17】。
2.国外研究进展
自2957年至今,WMO的GO3OS已从最初几个观测站发展到如今大约140个站,遍布全球60个国家。该系统包含大量的地基和球载观测仪器,用于测定大气臭氧总量和其垂直剖面,近十年还通过可靠的卫星来补充臭氧测定【18】。
WMO已经成功地组织和协调常规仪器的对比并保证了几台标准分光光度计以使对比得以完成,还组织专家到各观测站考察、检修与校准仪器,这些活动保证了获得高质量的臭氧数据,这些数据由代表WMO的加拿大大气环境局,现在多伦多的WMO世界臭氧数据中心从1960年开始收集。
我们现在对全球臭氧以及人类对其影响的了解是GO3OS长期测量辛勤工作的结果。因此在某种意义上讲,那些签署过削弱臭氧层的蒙特利尔公约和伦敦修正案(控制对臭氧有害物质的释放)的国家正对来源于GO3OS科学证据做出响应。
在60年代,WMO与其成员国协同建立了一个全球性的本底空气污染监测站网,采集和分析空气、雨、雪作为该计划的一部分,也监测了主要的温室气体象二氧化碳、甲烷、氟抓烃并包括臭氧。1989年,GOaOS和本底空气污染站合并形成了WMO全球大气观测系统(GAW)【18】。
GAW提供框架设计、标准、相互校准和对全球大气化学成分及物理特性的监测和数据收集系统以及资料评估,并把发达国家和发展中国家的科学家组织到一起工作。GAW的维持和扩大对进一步了解大气特性以及和与海洋、生物圈的相互作用是必需的。同时具有检查大气成分变化的早期警报系统的作用,下个世纪,政治的、国家的、国际的影响大气环境的决策都将大大地依赖于GAW系统所进行的观测【19】。