地球生命的保护伞——臭氧层

雨雪天气时人们常用伞挡风、遮雨和避雪，炎炎夏日中伞又被用于遮挡强烈的阳光，除此之外，伞在人们的日常生活中还有着多种用途。实际上在人类生息的地球上空，也撑着有一把保护地球生命的巨大保护伞——大气臭氧层。

大气臭氧层

地球是一个由大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间组成的极其复杂的、相互作用和影响的整体地球系统，任一圈层的变化都会引起其他圈层或是受到其他圈层的综合影响的结果，如大气圈就保护着固体地球和生物圈。从地表往上的300公里大气圈大致可以分成四层：从地表往上约10公里为对流层（气象层），10～50公里为平流层，50～100公里为中间层，100～300公里为热层。大气中的臭氧层主要位于对流层顶部和平流层中。大气臭氧层厚度很薄、总量很小，但相对于地球生命来说又是极为重要和不可缺少的。

臭氧层主要由臭氧构成，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。臭氧的毒性和破坏性很强，对生物有机体危害极大。在天然大气中臭氧的含量极少，但其对生物圈的意义却非同寻常。

臭氧通常是氧分子在太阳的光解作用下分解为氧原子后, 再进行一系列复杂的化学反应与另外的氧分子结合而形成的。臭氧的形成过程在大气层中主要由太阳紫外辐射来完成，少量是由于有机物的氧化、雷电和火山喷发等而产生的。臭氧在围绕地球的大气层中广泛形成，因而能够完整地覆盖地球上空并集中分布于大气平流层中，形成臭氧层，且其中的90％集中在离地面30公里高度以下的平流层中。在近地面大气底层因太阳紫外辐射较弱，臭氧生成极少；而距地面55公里以上，则太阳短波辐射剧烈，氧分子和臭氧分子离解作用都强，亦难以生成臭氧。

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。如果在0℃的温度下，把地球大气层中所有的臭氧全部压缩到一个标准大气压，则它也只能形成约３毫米厚的一层气体，其总重量约为30亿吨。这种用从地面到高空垂直柱中臭氧层的总厚度来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法，采用多布森单位（Dobson Unit）来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300多布森单位。臭氧层空洞被定义为臭氧的柱浓度小于200多布森单位以下，也即臭氧的浓度较臭氧层空洞发生前减少超过30％的区域。

尽管臭氧层的总量不多，厚度也很薄，但它是地球上一切生命免受过量太阳紫外辐射伤害的天然屏障，是地球生物圈的天然保护伞。正是由于臭氧层的存在，才使地球上的一切生物，包括人类本身得以正常的生长和繁衍。

臭氧层空洞的发现

自1970年代以来，大气层臭氧浓度逐年减少的问题就开始受到世界各国科学家的关注。1985年，英国科学家首次在《自然》杂志上报道了在南极上空发现的臭氧层空洞现象，引起了全球的极大震动和担忧。南极上空的臭氧层空洞是指每年的8月下旬至10月上旬，在20～25公里高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少并出现空洞, 10月初空洞面积最大，可达2,000多万公里，覆盖了整个南极大陆及南美洲南端的上空，11月份臭氧浓度才重新增加，臭氧层空洞也逐渐消失。

1998年12月世界气象组织（WMO）的观测发现，南极上空的臭氧层空洞已连续近100天面积超过1,000万公里2，而同年9月份的测量值更创纪录地达到了2,500万公里2，比1993年观测到的一次最高纪录还大了300万公里。2003年8～9月的大气观测值表明，南极上空的臭氧层空洞面积曾扩大到2,400万公里以上，甚至危及到南美洲大陆最南端的火地岛和阿根廷圣克鲁斯的南部地区。1997年出版的《北极污染问题》一书中，也指出了由于近30年来全球气候升温的影响，不仅对北极地区的自然生态环境，特别是对北冰洋海冰的面积和厚度产生了显著的变化，而且还造成北极地区上空臭氧层变薄，紫外辐射增强，局部地区还观测到臭氧层空洞的现象。中国大气科学家和挪威科学家在斯瓦尔巴德群岛进行科学考察时，共同分析了近年来北极臭氧层有关数值的变化得出的结论是：北欧地区的臭氧层出现了比其他同纬度地区更为严重的破损现象。目前北欧地区的臭氧含量正以每10年5%的速度急剧减少，这一速度比同纬度其他地区高出了1.5%，其中光化学作用和化学污染物是北欧地区臭氧层的臭氧含量减少的重要原因。此外，当北大西洋暖流流向北欧地区时，造成了不利于臭氧停留的大气运动，这也是造成北欧地区臭氧减少的一个重要因素。

臭氧层空洞形成机制

臭氧层空洞的形成是一种与物理化学、大气化学、大气环流、气候环境和太阳紫外辐射等多种因素有关的、复杂的大气现象和过程。目前对于解释臭氧层空洞出现的成因和机制归纳起来大致有三种理论：第一种认为动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少；第二种认为极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少；第三种认为与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧层空洞的形成。

其中破坏臭氧层起主要作用的氟氯烃化合物（如氟里昂）和含溴卤化烷烃等化学气体，它们不会在大气中自然产生，大部分是人类社会的工业生产和现代生活过程中，在大量消耗化石能源后产生和扩散出来的。大量的氟氯烃和含溴卤化烷烃类等气体在进入大气层的对流层中后，又在热带地区上空被大气环流带入到平流层，然后在气流和风的作用下，又从低纬度地区的平流层向高纬度地区输送并在平流层内均匀混合。在高空的平流层内，由于强烈太阳紫外线的照射，能使氟氯烃和含溴卤化烷烃分子发生离解，释放出高活性的原子态的氯和溴，氯和溴原子又会使臭氧分子分解而失去氧原子，它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的，如此反复下去，加重了臭氧层的缺失和破坏而形成臭氧层空洞。

另外，大气中臭氧含量的多少对地球气候也有着直接的影响。科学研究证明，大气臭氧含量越多地面温度越低，同时太阳紫外辐射地面的能量就越小；反之，大气中臭氧含量减少，地面上的太阳紫外辐射就会明显增强。早在1991年，澳大利亚冰川与大气科学方面的研究就揭示出南极臭氧层空洞与气候变化之间有一反馈联系，大气臭氧减少反映出高空大气温度降低与低层大气温度上升是一致的，这种相互作用的结果预示着平流层臭氧减少，但也反映出另一种特性，即对流层的温度有所上升。这种变化在南极地区十分强烈，对臭氧影响起着控制作用，它们之间是相互作用又相互制约的。在南极的冬季，南极平流层中旋风是很强的，而这种旋风还将增大且较长期影响着南极平流层温度的降低，在旋风作用隔离区中，臭氧含量降低更多，这种过程有可能进一步扩展到南极夏季。

在南极上空，由于冬季接受到的太阳热量很少，气温可以达到零下80℃。距地面20公里的高空，尽管空气十分干燥，在温度极低的环境下还是易于生成平流层云。经南极的科学考察和实验室的研究都证明，这种平流层云有加剧氯的催化而产生氯原子的化学作用，而氯原子又是破坏臭氧层的主要因素。另一方面，由于南极上空的空气受冷下沉，形成一个强烈的西向环流，称为极区涡旋。这种涡旋有一重要的作用，就是将南极大陆上空的冷空气团团围住，使其与极区外低纬度空气隔离开来，减弱了南极大陆上空冷空气与外界的对流与交换作用，而在南极大陆上空形成一个温度很低的区域，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的加剧氯的催化和臭氧层破坏的化学反应器，这种催化作用反复积累，致使臭氧层遭到大幅度破坏而形成臭氧层空洞。当南极的春季（每年的11月）来临时，温度开始升高，平流层云的成云过程减弱，同时极区涡旋强度也大为减弱，高低纬度之间的空气径向交换与对流作用加强，含有臭氧浓度低的空气迅速从南极上空向低纬度地区扩散，而极区外围含臭氧量高的空气进入高纬度的南极上空，补充臭氧层浓度的缺失，修复臭氧洞的面积，臭氧的耗损过程停止。因此一般来说每年8月在南极上空开始出现臭氧层空洞，9至10月空洞范围最大，从12月开始逐渐缩小或消失。

保护大气臭氧层

大气层中臭氧层减薄甚至臭氧层空洞大面积的出现会使地面的紫外辐射增强，对人类的生存和健康、地球的生态环境、森林植被、农作物和水产养殖等都会造成不同程度的影响和破坏，还会抑制人体免疫功能，使白内障、皮肤癌等发病率大大增加，甚至直接引起人的机体失调和中毒。在南极附近的阿根廷巴塔哥尼亚地区就已发现由于强紫外辐射致使全盲的动物，如兔子、大马哈鱼等。

另据美国科学家公布了一组在6个星期中南极春季臭氧量降低的测量数据，结果表明紫外辐射的增加还会抑制浮游植物的光合作用程度，使南大洋最旺盛的春季生产力下降6％～12％，同时臭氧含量减少可能会影响海洋有机物光合作用的效率，使其降低12％～15％。海洋浮游植物在吸收来自大气层的二氧化碳中起着十分重要的作用，它也是南极食物链中重要的环节，大范围的臭氧含量减少可能会影响南极食物链的失衡和一些生物种类的生存甚至全球气候环境的变化。

世界各国都已注意到并在致力开展保护大气臭氧层的行动。一方面是在南北极地区加强对大气臭氧层变化的监测和研究工作。例如，在南极地区各国建立的45个常年科学考察站中，有2/3以上的考察站都有南极臭氧层的监测和研究项目，以期进一步从理论和科学问题上弄清楚南极臭氧层空洞形成的原理和机制。另一方面，世界各国，包括联合国及世界气象、卫生组织和非政府组织等都在致力于减少乃至制止氟氯烃和含溴卤化合物的生产和使用。1987年有许多国家参与签署了《蒙特利尔议定书》，1992年又通过了《哥本哈根修订案》，就控制可破坏臭氧物质达成协议，逐步禁止氟氯烃等的生产和使用。发达国家于1996年，发展中国家则将在2010年全面停止氟氯烃的生产。1997年9月各签字国又进一步承诺：至2005年发达国家不再使用甲基溴，发展中国家2010年停止使用甲基溴。联合国也做出决议：从1995年起，每年的9月16日被定为“国际保护臭氧层日”。如果各国、特别是发达国家能严格执行这些协议的承诺，大气臭氧层可望在几十年或百年以后逐步得到恢复。

从1990年起，中国南极长城站和中山站都持续开展了较系统的南极大气臭氧层的监测和研究工作。自1990—2000年的近10年来的观测研究验证了中国南极中山站上空的大气臭氧总量与全球臭氧总量变化规律一样，也存在明显的减少趋势。1999—2003年，在中国政府组织的两次北极科学考察中，对北极地区大气臭氧层的变化与环境之间的关系之探测与研究被列为考察的重点项目之一。经初步资料分析和研究取得了一些阶段成果：在北极地区，平均地面臭氧浓度的日均变化很小，到达地面紫外UV-B辐射的增大与高层大气臭氧减少密切相关，而与地面臭氧浓度的变化关系不大。近几十年来，中国许多科学家潜心开展的对南极和北极地区大气臭氧层的监测和研究工作也都获得了瞩目的科研成果并在继续致力于该项科研工作。与此同时，各级政府还加大了对社会、特别是对广大青少年学生呵护地球、保护大气臭氧层的宣传和知识普及教育活动，这些都是中国对保护大气臭氧层所采取的有效行动和做出的实质贡献。