臭氧层的破坏
一、臭氧层破坏的原理
1.臭氧层破坏的原理
在平流层中，一部分氧气分子可以吸收小于240um波长的太阳光中的紫外线， 并分解形成氧原子。这些氧原子与氧分子相结合生成臭氧，生成的臭氧可以吸收太阳光而被分解掉，也可与氧原子相结合，再度变成氧分子，形成了臭氧的动态平衡。
人类生产和使用大量CFCs受到短波紫外UV-C的照射，分解出C1·自由基。C1·自由基可以从臭氧分子中夺取一个氧原子，使03变成普通的氧分子;形成的一个氧化氯很不稳定，与另一个氧原子结合，使C1·自由基再次游离出来，又可以重复上述反应。
反应过程中释放的CI ·自由基可以在平流层中存在好几年，因此一个C1·自由基能够消耗10万个臭氧分子就不足为怪了。
一般情况下CFCs放出一个氯离子，但是剩下的基因可以通过与氧气等的后续反应，使CFCs中的全部氯都以破坏臭氧层的活动形态放出。
仅仅根据气相反应理论，臭氧减少的最明显的高度应在40km附近。但是实际上臭氧减少趋势最大的高度是20km附近，而20km附近正是臭氧浓度最高的区域，这一事实进一步说明了臭氧层破坏的严重性。
这种气相反应经典理论，与实际臭氧层破坏状况不一致的原因现已找到。这是由于破坏臭氧的反应通常是在颗粒状气溶胶表面进行，即非相反应所造成的。正是非均相反应极大地破坏臭氧层才造成地极“臭氧空洞”。
2.南极臭氧空洞形成原理
自从发现在南极上空有在臭氧空洞以后，为了查实和弄清臭氧层耗减及臭氧空洞形成的原因，美国宇航局(NASA)牵头组织了数十个科学家于1986年和1987年的9~11月，两次赴南极进行臭氧探险活动，寻求揭示臭氧空洞形成的机理。在第二次探险中获得了有效的探测结果，由此推理出臭氧空洞形成的机理。
人类所排放的CFCs主要在北半球，其中欧洲、俄罗斯、日本和北美洲约占总排放量的90%。
这种不溶了水和不活泼的CFCs前1~2年内在整个大气层下部并与大气混合。这种含有CFCs 的大气从底部向上升腾，一直到达赤道附近的平流层。 然后分别流向两极，这样经过整个平流层的空气几乎都含有相同浓度的CFCs。
然而由于地球表面的巨人差异，两极地区的气象状况是完全不同的。南极是一个非常广阔的陆地板块南极洲)，周围又完全被海洋所包围，这种白然条件下产生了非常低的平流层温度。在南极黑暗陆冷的冬季(6 ~9月），下沉的空气在南极洲的山地受阻，停止坏流而就地旋转，吸入周围的冷空气，形成“极地风暴旋涡”。
这股“旋涡”上升到20km高空的臭氧层，由于这里温度非常低，形成了滞留的“冰云”。“冰云”中的冰晶微粒把空气中带来的CFCs和哈龙吸收在其表面，并不断积聚其中。当南极的春季来临(9月下旬)，阳光照向“冰云”时，冰品落化，释放出吸附的CFCs和哈龙。它们受到紫外线UV-C照射，分解出CI·和Br·并与臭氧反应生成CIO·和BrO·消耗臭氧。由于冰晶的吸附作用，积累的CFCs和哈龙在一段时间内集中分解出CI·和Br·再加上形成冰晶会发生各种各样的化学变化，促成了每年9~11月臭氧快速耗减，在特定高度臭氧几乎完全消失，导致臭氧空洞形成。
随着夏季的到来，南极臭氧层得到逐渐恢复，然而臭氧减少的空气可以传输到南半球的中纬度，造成全球规模的臭氧减少。
3.北极地区臭氧层破坏的原理
南极能够形成臭氧空洞，人们自然会联想到北极也可能发生臭氧空洞。根据这推断，1989年初，来自几个国家的200个科学家又聚集到北极进行考察探测。他们发现北极的春天，臭氧层中的CIO浓度升高和臭氧浓度降低，两者之间有着显著的对应关系。只是北极没有极地大陆和高山，仅有一片海洋冰帽，形不成大范围强烈的“极地风暴”，所以不易生成像南极一样大的“臭氧空洞”。但是由于北极也有通过非均相反应破坏臭氧层的典型物质，因此在“极地风暴”可以生成的年份里，北极也可能发生大规模的臭氧层破坏，近几年北极出现的“臭氧空洞”便足以说明问题。对于北极臭氧层耗减的日益严重，已经变得十分引人注目。
4.中纬度臭氧减少的原理
在南半球，由于极地风暴的消失，南极“臭氧空洞”臭氧浓度很低的气团可以向中纬度扩散，从而稀释了中纬度臭氧使其浓度下降，人们认为这种稀释效应具有十分重要的作用。
北半球中纬度臭氧减少机理尚不十分清楚，一般认为有如下两种可能:
(1)虽然北极地区极地风暴不稳定，仍可短时间形成一些“冰云”，并发生一系列非均相反应，破坏臭氧，减少了臭氧的空气可向中纬度扩散传输，或者CIO·等破坏臭氧的物质传输到中纬度，加速了臭氧破坏。
(2)在中纬度平流层中存在的硫酸盐气溶胶，其表面上发生一系列非均相反应，加速了臭氧破坏。
二、臭氧层破坏产生的危害
臭氧层耗减对全球环境造成的影响，只能是从最近10多年的环境情况与10多年前或更最年代的情况相比，发现了某些特异的变化，就目前情况而言，还不能认为已经产生了明显的严重后果。
臭氧层的耗减产生的直接就是使太阳光中的中波紫外线UV-B达到地面的数量增加。臭氧层耗减和UV-B辐射量之间的关系见图1-8。通常认为臭氧浓度降低1%，UV-B 辐射量增加1.5~ 2%。
紫外线UV-B能破坏蛋白质的化学键，杀死微生物，破坏动植物的个体细胞，损害其中的脱氧核糖核酸(DNA)，引起传递遗传特性的因子变化，发生生物的变态反应。
1.对人类健康的影响
适量的紫外线照射对人体的健康是有益的，它能增强交感肾上腺机能，提高免疫能力，促进磷钙代谢，增强人体对环境污染物的抵抗力。但是长期反复照射过量紫外线将引起细胞内的DNA改变，细胞的自身修复能力减弱，免疫机能减退，皮肤发生弹性组织变性、角质化以至皮肤癌变，诱发眼球晶体发生白内障等。
对免疫系统的影响:中波紫外线UV-B的照射，对人体有许多影响。有的是积极的影响，适量的UV-B是维持人类生命所必需的。但是长期接受过量紫外线辐射，将引起细胞内DNA改变，细胞的自身修复能力减弱，免疫机制减退。由于紫外线辐射的增加，大量疾病的发病率及严重程度都会大大增加。这些疾病包括麻疹、水痘、疮疹和其它引起皮疹的病毒性疾病，通过皮肤传染的寄生虫病(如疟疾和利什曼病)、细菌感染(如肺结核和麻疯病)和真菌感染等。
人体免疫系统中的一部分存在于皮肤内，使得免疫系统可直接接触紫外线照射。动物试验发现紫外线照射会减少人体对皮肤癌、传染病及其他抗原体的免疫反应，进而导致对重复的外界刺激丧失免疫反应。人体研究结果也表明暴露于紫外线B中会抑制免疫反应，人体中这些对传染性疾病的免疫反应的重要性目前还不十分清楚。但在世界上一些传染病对人体健康影响较大的地区以及免疫功能不完善的人群中，增加UV-B辐射对免疫反应的抑制影响相当大。
白内障:白内障是形成在眼球晶体上的一层雾斑(晶状体浑浊)。实验证明紫外线能损伤角膜和眼晶体，可引起白内障、眼球晶体变形等。据分析，平流层臭氧减少1%，全球白内障的发病率将增加0.6~0.8%，全世界由于白内障而引起失明的人数将增加10000~15000人;如果不对紫外线的增加采取措施，从现在到2075年，UV-B 辐射的增加将导致大约1，800万白内障病例的发生。
皮肤癌:紫外线UV-B辐射的增加，直接导致人类常患的三种皮肤癌。前两种是Basal和鳞状皮肤癌，这种非恶性癌每年在美国大约有50万患者，如果发现及时，这种病可以治愈，因此很少有人死于此病。美国环境保护局估计臭氧每减少10%，这两种皮肤癌的发病率就提高26%。恶性黑瘤比较少见，它与紫外线辐射有关，其机理知之甚少。每年大约有25000 人患此病。这种病比较危险，每年大约有5000 人死于此病。
每个细胞里的遗传物质(脱氧核糖核酸）都对紫外线很敏感，脱氧核糖核酸的损伤会杀死细胞或将其变成癌细胞。白色皮肤的人对太阳光缺乏自然保护，他们更容易患皮肤癌。据计算，臭氧每减少1%，非黑色素瘤皮肤癌就增加3%。按美国当今人口计算，良性黑色素瘤的病例将增加45万例，恶性黑色素瘤的病例将增加1000 例。未来数代受害将更加严重。在靠近南极的澳大利亚，皮肤癌发病率增加了3倍，近年来在那里也一直在讨论有关“臭氧警告”的问题。
为了防止紫外线对人体皮肤和眼睛造成损害，应避免强烈地日晒，户外活动和工作应穿着长衣长裤，或使用防止紫外线的防晒油涂抹身体裸露部分。为避免角膜炎和白内障，应佩戴能过滤紫外线的眼镜。
2.对陆生植物的影响
臭氧层耗减，对植物和动物生长的影响，人们了解还不很多，较之对人体的影响了解更少。己做过的一些研究也尚难做出合理的解释。臭氧耗减对农作物的危害做定量预测，也由于其它环境因素的参与变得十分困难。但综合考察还是给我们启示了未来可能的影响。
对某些农作物的研究表明，紫外线UV-B辐射增加会引起某些植物物种和化学组成发生变化，影响农作物在光合作用中捕获光能的能力，造成植物获取的营养成分减少，生长速度减慢。研究过的植物中，紫外线对其中的50%有不良影响，尤其是像豆类、瓜类、卷心菜一类的植物更是如此。西红柿、土豆、甜菜、大豆等农作物，由于紫外线UV-B辐射的增加，还会改变细胞内的遗传基因和再生能力，使它们的质量下降。一项研究表明，如果臭氧减少25%，则大豆的产量会下降20~25%，大豆的蛋白质含量和含油量也会降低。
紫外线辐射的增加对林业也有影响。通过对10个种类的针叶树幼苗进行研究，结果表明其中3个品种受紫外线UV-B辐射的影响而产生不良后果，其所受影响的程度也与预测方案相吻合。
植物的生理和进化过程都受到UV-B辐射的影响，并与UV-B辐射的量有关。植物也具有一些缓和和修补这些影响的机制，在一定程度上可以适应UV-B辐射的变化。不管怎样，植物的生长直接受UV-B辐射的影响，不同种类的植物，甚至同一种不同栽培品种的植物对UV-B的反应都是不一样的。在农业生产中，就需要种植耐受UV-B辐射的品种，并同时培养新品种。对森林和草地，可能会改变物种的组成，进而影响不同生态系统的生物多样性分布。
UV-B辐射带来的间接影响，例如植物形态的改变，植物各部位生物质的分配，各发育阶段的时间及二级新陈代谢等可能跟UV-B造成的破坏作用同样大，甚至更为严重。这些对植物的竞争平衡、食草动物、植物致病菌和生物地球化学循环等都有潜在影响。目前，这方面的研究工作尚处起步阶段。
3.对水生生物的影响
世界上30%以上的动物蛋白质来自海洋，因此很有必要知道紫外线辐射增加后对水生生态系统生产力的影响。
此外，海洋在与全球变暖有关的问题中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大气中CO2的一个重要的消除途径，它们对未来大气中CO2浓度的变化趋势起着决定性的作用。海洋对C02气体的吸收能力降低，将导致温室效应加剧。
海洋浮游植物并非均分布在世界各大洋中，通常高纬度地区的密度较大，热带和亚热带地区的密度要低10~ 100倍。除可获取的营养物、温度、盐度和光外，在热带和亚热带地区普遍存在的阳光UV-B的含量过高的现象也在浮游植物的分布中起着重要作用。
浮游植物的生长局限在光照区，即水体表层有足够光照的区域，生物在光照区的分布地点受到风力和波浪等作用的影响。另外，许多浮游植物也能够自由运动以提高生产力保证其生存。暴露于阳光UV-B下会影响浮游植物的定向分布和移动，因而降低了这些生物的存活率。
研究人员测定了南极地区UV-B辐射及其穿透水体的量的增加，证据证实天然浮游植物群落与臭氧的变化直接相关。对臭氧空洞范围内和臭氧空洞以外地区的浮游植物进行比较的结果表明，浮游植物生产力下降与臭氧减少造成的UV-B辐射增加直接有关。一项研究表明，在冰川边缘地区的生产力下降了6~ 12%。由于浮游生物是海洋食物链的基础，浮游生物种类和数量的减少还会影响鱼类和贝类生物的产量。另一项科学研究的结果显示，如果平流层臭氧减少了25%，浮游生物的初级生产力将下降10%，这将导致水面附近的生物减少35%。
研究发现阳光中的UV-B辐射对鱼、虾、蟹、两栖动物和其它动物的早期发育阶段都有危害作用，最严重的影响是繁殖力下降和幼体发育不全。即使在现有的水平下，浮游植物和动物也已经受到了紫外线的损害。紫外线B的照射量很少量的增加就会导致海洋生物的显著减少。
尽管已有确凿的证据证明UV-B辐射的增加对水生生态系统是有害的，但目前还只能对其潜在危害进行粗略的估计。
4.对城市环境和建筑材料的影响
(1)使城市环境恶化
过量的紫外线除了直接危害人类和生物机体外，还会使城市环境恶化，进而损害人体健康，影响植物生长和造成经济损失。城市工业在燃烧矿物燃料时排放的氧化氮，与某些工业和汽车所排放的挥发性有机物，同时在紫外线照射下会更快地发生光氧化反应，生成臭氧、过氧化烯烷基硝酸酯等产物，从而造成城市内近地面大气的臭氧浓度增高，引起光化学烟雾污染。
近地面臭氧浓度过高，吸入人体会导致肺功能减弱和组织损伤，引起咳嗽、鼻咽刺激、呼吸短促和胸闷不适等。
近地面的臭氧和过氧化烯烷基硝酸酯能损害植物叶片，抑制光合作用，使农作物减产，森林或树木枯萎坏死，其危害甚至比酸雨还大。
近地面臭氧浓度增高，还使聚合物材料加速老化。
据美国环保局估计，当臭氧耗减25%时，城市光化学烟雾的发生几率将增加30%，聚合物材料等老化的经济损失将高达47亿美元。
(2)对建筑材料的破坏
因平流层臭氧损耗导致阳光紫外线辐射的增加会加速建筑、喷涂、包装及电线电缆等所用材料，尤其是聚合物材料的降解和老化变质。特别是在高温和阳光充足的热带地区，这种破坏作用更为严重。由于这一破坏作用造成的损失估计全球每年达到数十亿美元。
无论是人工聚合物，还是天然聚合物以及其它材料都会受到不良影响。当这些材料尤其是塑料用于一些不得不承受日光照射的场所时，只能靠加入光稳定剂和抗氧剂或进行表面处理以保护其不受日光破坏。阳光中UV-B辐射的增加会加速这些材料的光降解，从而限制了它们的使用寿命。研究结果已证实中波UV-B辐射对材料的变色和机械完整性的损失有直接的影响。
在聚合物的组成中增加现有光稳定剂和抗氧剂的用量可能缓解上述影响，但需要满足下面三个条件:
①在阳光的照射光谱发生了变化即UV-B辐射增加后，该光稳定剂和抗氧剂仍然有效。
②该光稳定剂和抗氧剂自身不会随着UV-B辐射的增加被分解掉;
③经济可行。目前，利用光稳定性和抗氧性更好的塑料或其它材料替代现有材料是一个正在研究中的问题。
我国科学家普遍认为臭氧层耗减是客观存在的现象，对于CFCs和哈龙引起臭氧层耗减的看法也基本认同，但要准确估计臭氧层耗减对人类和生态环境的危害程度，还要做大量的实验研究工作才能确定。