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詳論臭氧層危機(jī)
詳論臭氧層危機(jī)
臭氧就是三原子氧(O3),是我們熟知的氧氣的同素異形體。從地面往上到大氣邊緣都廣泛存在臭氧,離地面約10~50千米的大氣層中,含有較多的臭氧,稱這個(gè)臭氧較集中的氣層為臭氧層,它跨平流層和中間層。
臭氧層是法國科學(xué)家C.法布里于20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)的。臭氧層中,臭氧的濃度隨高度變化,在離地面20—30公里處的臭氧濃度最高,也就是說濃度最大的區(qū)域出現(xiàn)在平流層的范圍內(nèi)。實(shí)際上,平流層保存了大氣中90% 的臭氧。
臭氧層的臭氧含量與其他大氣成分相比是很小的,其只是大氣的微量成份,把整個(gè)臭氧層的臭氧折算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(氣壓1013.25百帕、氣溫273.15K),其總累積厚度為0.15~0.45厘米,平均約0.30厘米,這種計(jì)量方法叫柱濃度法,采用多布森單位(Dobuson unit,簡稱D.U)來表示,正常大氣中臭氧的柱濃度為300D.U。
臭氧層的主要作用是吸收紫外線。一般我們將來自太陽的紫外輻射按照波長的大小分為三個(gè)區(qū):(1nm=10-9m)
325-400 nm UV-A區(qū)
280-325 nm 。眨郑聟^(qū)
200-280 nm 。眨郑脜^(qū)
UV-A區(qū)紫外線不能被臭氧有效吸收,但也不會(huì)造成地表生物圈的損害.事實(shí)上,這一波段少量的紫外線也是地表生物所必須的,它可促進(jìn)人體的固醇類轉(zhuǎn)化成維生素D,缺乏維生素D會(huì)引起軟骨病,尤其對(duì)兒童的生長發(fā)育產(chǎn)生不良影響;
UV-B區(qū)的紫外線是可能到達(dá)地表并對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)造成最大危害的部分,正常情況下大氣中的臭氧可以吸收絕大部分的此波段的紫外線;
UV-C區(qū)的紫外線波長短,能量高,但能被大氣中的氧氣和臭氧完全吸收,即使平流層的臭氧發(fā)生損耗,也不會(huì)到達(dá)地表。
由上可見,對(duì)人類來說大氣中的臭氧主要作用是攔截對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)有傷害作用的UV-B區(qū)的紫外線,臭氧層是地表生物系統(tǒng)的保護(hù)傘。
1930年查普曼(Chapman)提出了一個(gè)純氧體系的光化學(xué)反應(yīng)機(jī)制,即平流層的臭氧則主要是氧氣在太陽的紫外線的轟擊下分解而成。
其生成過程如下所示:
。2 紫外線 O 產(chǎn)生的氧原子有很強(qiáng)的化學(xué)活性
。2+O O3 與氧氣分子反應(yīng)生成臭氧
臭氧的去除反應(yīng)也是在紫外線的作用下進(jìn)行的:
。3 紫外線 。2+O 臭氧吸收紫外線被光解
。希稀 。2 氧原子化合為氧氣
以上生成和去處反應(yīng)保持著動(dòng)態(tài)的平衡。
1974年美國科學(xué)家約翰斯頓(Johnston)對(duì)以上過程作了定量計(jì)算,發(fā)現(xiàn)平流層的臭氧的去除反應(yīng)加上向?qū)α鲗拥某粞踺斔,僅為臭氧生成量的20%,這一結(jié)果表明,平流層的臭氧損耗還存在更重要的過程。
實(shí)際上,平流層大氣盡管遠(yuǎn)比對(duì)流層稀薄,但也含有一定量的水汽、含氮化合物和含鹵族化合物等?茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),除了Chapman提出的臭氧去除反應(yīng)外,平流層臭氧更重要的去除途徑是所謂催化反應(yīng)機(jī)制:
Y + O3 YO+ O2 。賷Z取臭氧分子的一個(gè)氧原子
YO+O Y+ O2 釋放氧原子形成氧氣
其凈結(jié)果是: O3+ O &nb
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