南极臭氧空洞形成的原因
2014-12-04 21:17阅读：
引言
自20世纪80年代发现南极上空存在臭氧空洞以来，臭氧层保护已成为科学家和公众关注的热门话题。目前，人们大都将臭氧空洞的形成归咎于CFC气体，即氟利昂。[1]虽然也有学者对臭氧空洞的形成提出了不同的解释，但均没能得到多数科学家的赞许，也没能引起公众的注意。
笔者认为，氟利昂可导致臭氧的减少应该是不争的事实，但是臭氧空洞形成的主因则未必是氟利昂。原因有三：一是南极臭氧空洞均出现在南极的春季（即9～10月），其它季节臭氧含量一般趋于正常。而氟利昂一年四季都存在于大气中，如果臭氧空洞因氟利昂所致，那么臭氧空洞应该不只出现在9～10月。二是北半球的大陆面积和人口占全球的大部分，排放的氟利昂也占总量的大部分。如果是氟利昂造成臭氧空洞，那么臭氧空洞应该出现在北极,而非南极，或者至少是北极的臭氧空洞比南极大，而实际情况恰恰相反。三是除了南极（9～10月）出现臭氧空洞以外，北极（2～3月）和青藏高原（6～9月）的臭氧含量也明显下降。[2]难道全球各地排放的氟利昂都集中到了这三个地方，而其它地方没有？
任何一个符合实际的关于臭氧空洞形成的解释，至少必须同时能够回答上述这些问题。
本文通过对地球大气的电化学环境进行研究，分析了地球大气臭氧形成的条件及变动的原因，提出了大量电子进入平流层破坏那里的氧化环境是臭氧空洞形成的主要原因的观点，较好地解释了所观察到臭氧空洞现象和地球低层大气臭氧的时空变化规律。
1 臭氧层的形成
1.1臭氧层形成的条件
臭氧层的形成必须具备两个条件：
一是生成条件，即要有不断产生臭氧的
源泉。在平流层，太阳紫外线比较强，能不断地将氧气（O2）转变成臭氧（O3）。
如果没有氧气和强烈的太阳紫外辐射，臭氧就不可能大量地生成。
二是存在的环境条件。臭氧（O3）是具有强氧化性的物质，只能存在于氧化性环境，不能存在于还原性环境。平流层（或者高层大气）存在大量的带正电荷的离子,它们在此营造了一个良好的氧化环境,为臭氧的“保存”创造了必要的条件。如果平流层不是带有大量的净的正电荷，而是带有净的负电荷，或者存在大量的还原性物质，那么,产生的臭氧就会被还原物所破坏,形成氧气和负氧离子(O-2)。
这时，即使臭氧能够源源不断地产生，也会不断地分解消失，不可能形成一个稳定的臭氧层。
1.2臭氧层的形成
研究表明，在晴天，从地球表面至电离层底部的大气存在着一个自上而下的电场，也就是说，高空大气相对于地面具有２.９×105V的正电压。这说明电离层以下的大气是带正电的。[3]所以，大气环境基本上处于氧化或弱氧化状态。这就为臭氧的保存创造了必要条件。
同时，由于电离层以下处于氧化状态，太阳紫外线穿过电离层并在其下面产生的臭氧就可以保存下来。又因臭氧对紫外线有独特吸收作用，臭氧的产生和保存又反过来加速对太阳紫外线的吸收以及臭氧的形成和贮备，从而在电离层下形成一个臭氧层。经过臭氧层的拦截，只有很少的太阳紫外线进入对流层制造臭氧。所以，对流层的臭氧含量极低。
因此,在地球上空的平流层中之所以能够形成一个保护地球生命的臭氧层，是与那里的电化学环境条件分不开的。
2 臭氧空洞的形成
地球磁场会使进入高空大气层的宇宙高速带电粒子向极区偏转，汇聚到南、北磁极附近，由于受到空气的电阻绝缘及热阻滞作用，带电粒子通常会长时间地滞留在南、北磁极外围高空的大气中，从而在南极上空形成一股浓密的电子相对过剩的带电粒子云，在北极上空则形成一股浓密度相对弱一些的正电荷相对过剩的带粒子云。[4]这就为臭氧空洞的形成创造了条件。
2.1南极臭氧空洞的成因
一方面，在南极的春季（9～10月）到来之时，南极大陆上空的平流层会形成一个环极涡旋，此涡旋的活动会扰动上面的电离层，破坏带电粒子云的受力平衡，导致电子相对过剩的带电粒子云进入平流层，随涡旋一起运动，从而使平流层的氧化环境遭到破坏，臭氧难以存在下去，含量不断减少。
另一方面，在南极大陆的春季，当南极高压增强时，密度很大的冷凝气团就随着产生。这种气团从高空向低空下降，到达内陆冰原斜坡带后沿着光滑的冰面急剧下滑，形成速度极大的冷风气团，这就是南极大陆所独有的下降风。下降风一般可达30～50m/s，最高记录为92.5m/s。[5]下降风“抽空”了对流层顶的大气，导致平流层的大气大量涌入；由于环极涡旋阻隔了中低纬度平流层大气补充到南极，使南极电离层趁势下降侵入平流层（这相当于将带电的导体插入平流层），加上极地开放磁层对高空带电粒子毫无阻饶，从而将电离层的电子源源不断地导入平流层，使平流层的氧化环境遭到破坏，大量臭氧被消耗，于是形成臭氧空洞。
当环极涡旋消失后，中低纬度平流层大气补充到南极，使南极恢复氧化环境（即带净正电荷状态）。最后，在太阳紫外线作用下形成的臭氧又能够“存储”起来，形成新的臭氧层。人们已经观测到，当南极的9月平流层顶的臭氧消失时，大量的臭氧却向下扩散到5～6km高的低层。[6]这正是平流层大气大量涌入对流层的证据。
2.2北极臭氧空洞的成因
北极地区的冬季，一方面无阳光照射，臭氧的产量极少，另一方面，其环极涡旋导致电离层中的离子进入平流层，同样对臭氧层有破坏作用。但是，由于北极上空的离子为净正电荷离子，负电荷离子大大少于南极地区，使平流层总的氧化环境没有遭到彻底破坏，同时北极地区的环极涡旋强度和持续的时间都不及南极，所以北极上空臭氧的损失不如南极厉害。在北极地区形成的臭氧空洞面积较小，持续的时间也较短。
2.3青藏高原臭氧减少的原因
20世纪90年代，我国学者研究发现，在6～9月间，青藏高原上空的臭氧总量存在异常低值中心，最低值比周围少10%左右。[2]由此可见，青藏高原上空臭氧的减少明显不同于南北两极，它出现在日照量最大，紫外线最强的夏季。这是因为日照量增大和紫外线的增强，使青藏高原上的光合作用和光电效应显著增强，青藏高原是离平流层最近的地球“尖端”，这里的光合作用和光电效应产生的大量电子[10][11]很容易抵达平流层，从而破坏那里的氧化环境，使臭氧量减少。全球臭氧分布的最低值在热带，最高值在极地附近[6]以及我国臭氧分布“南低北高”，且“冬季梯度大，夏季梯度小”的总特征[7]与青藏高原臭氧异常低值中心具有类似的起源。丁国安等人曾在同一时间对黑龙江龙凤山和浙江临安地面附近的臭氧进行观测，发现植被较好的龙凤山臭氧平均含量大大低于植被较差的临安。[8]汤洁等人在对青海瓦里关山的观测中，发现地面附近臭氧的最低值多半出现在中午前后。[9]这些正是光合作用和光电效应产生的光电子破坏了臭氧的结果。
3 结论
正电荷稍微过剩的地球表层大气的氧化环境为太阳紫外线产生的臭氧在此处得以保存提供了前提条件。当地球表层大气氧化环境因某种因素削弱后，臭氧就会损失。南极臭氧空洞的形成，是由于大气的某种运动，导致电离层下沉，高空大量电子进入平流层而造成的。本文还解释了“氟利昂说”不能解释的低层大气臭氧时空分布情况。
参考文献
[1]朱传征，顾文秀.臭氧层化学研究的关键一步[J].《科学》，1996（3）：60-61。
[2]周秀骥,罗超,李维亮,等.中国地区臭氧总量变化与青藏高原低值中心[J].科学通报,1995,40(15):1396-1398。
[3]B.J.Mason.云物理学[M].北京：科学出版社，1978：504-584
[4]
中国大百科全书总编委员会《天文学》编辑委员会编.中国大百科全书（天文学）[M].中国大百科全书出版社，1980：170，522。
[5]张青松，于珏编著.南极洲自然地理[M].北京：商务印书馆，1993：153-154。
[6]王贵勤等编译.大气臭氧研究[M].北京：科学出版社，1985：145，284。
[7]任福民，史久恩.中国区域臭氧分布的特征分析.见周秀骥主编.中国地区大气臭氧变化及对气候环境的影响（一）[M].北京：气象出版社，1996：246-251。
[8]丁国安，徐晓斌，向荣彪等，龙凤山本底站秋季地面O3与气象条件初探.见周秀骥主编.中国地区大气臭氧变化及对气候环境的影响（一）[M].北京：气象出版社，1996：35。
[9]汤洁，李兴生.青海瓦里关山地面臭氧的观测和初步结果.见周秀骥主编.中国地区大气臭氧变化及对气候环境的影响（一）[M].北京：气象出版社，1996：19-28。
[10] Robert
Resnick.相对论和早期量子论的基本概念[M].上海:上海科学技术出版社,1978：163—172。
[11]K.C.史密斯.光生物学[M].北京：科学出版社，1984：398—446
