臭氧层的形成与破坏

1、臭氧层的形成与破坏摘要：本文对臭氧的形成和破坏进行了简单的分析，并列出部分反应机理。关键词：臭氧层、反应机理、一、臭氧的形成在数亿年以前，地球上的大气中没有臭氧层，地球的表面受到来自太阳的紫外线强烈照射，地 面上没有生物存在，仅有少数生物生存在水中，因为水能吸收紫外线，水中绿色植物不断地吸 收大气中的二氧化碳，释放出氧气，扩散到空气中，而其中一部分的氧气在大气层的上层，受到 紫外线的作用，依下面所示的反应式,氧气变成了臭氧而产生了臭氧层.臭氧层对地球上的生命相当重要，因它能滤除紫外线，地球上生物才能登上陆地，展开另一种 灿烂多姿的地表生活02 + 4 20 ,。2 + O 一 O3二、臭氧的介

2、绍臭氧(03)是一种具有刺激性气味,略带有淡蓝色的气体，在大气层中，氧分子因高能量的辐射 而分解为氧原子(0)，而氧原子与另一氧分子结合，即生成臭氧.臭氧又会与氧原子，氯或其他游 离性物质反应而分解消失，由於这种反覆不断的生成和消失，乃能使臭氧含量维持在一定的均 衡状态，而大气中约有90%的臭氧存在於离地面15到50公里之间的区域,也就是平流层 (Stratosphere)，在平流层的较低层，即离地面20到30公里处，为臭氧浓度最高之区域，是为臭氧 层(Ozoe Layer)，臭氧层具有吸收太阳光中大部分的紫外线,以屏蔽地球表面生物，不受紫外线 侵害之功能.三、臭氧层破坏的催化反应机理 目前0

3、3层破坏主要有三类链反应：HOx、 Ox、ClOx。水蒸气、甲烷等的影响平流层中存在的水蒸气、甲烷，可与激发态氧原子形成含氢物质(H, 0H与H02)，例如H 0+02H02CH4+0CH3+H0H2+0H+H0这些物质可造成03损耗约10%。反应:H0 + 03 H02 + 02H02 + 0 H0 + 02总反应： 0 + 03 2020 x的催化作用平流层中的0(超音速飞机排放)可为紫外线辐射分解为-和0,其中，约有1%的0又 与激发态的氧原子结合，经氧化后产生0和022O+ Of 2 O O+O3f O2+O2经氧化后产生O和O2是造成O3损耗的重要过程，估计约占O3总损耗量的70%。

4、O + O3 f O2 + O2 O2 + O f O + O2总反应：O + O3 f 2O2（3）天然或人为的氯、溴及其氧化物的催化作用平流层中ClOx的天然源是海洋生物产生的CH3C1：CH3C1 + h f CH3 + C1（该过程贡献cl很少）C1Ox的人为源是制冷剂（主要来源）CFC13 + h f CFC12 + ClCF2C12 + h . f CF2C1 + Cl光解产生的Cl可破坏O3C1 + O3 f C1O + O2O + C1O f C1 + O2总反应： O + O3 f 2O2（4）总结总结上述O3层破坏的反应过程，可得到：Y + O3 f YO + O2O +

5、YO f Y + O2总反应： O + O3 f 2O2/Y该过程是三位化学家F.Sherwood.Rowla !（什伍德.罗兰）、Mario Moli，a（马利奥.莫琳娜）、 Paul Crutzeu（保罗.克里森）在1995年提出并总结的，因此当年获得了 1995年诺贝尔化学 奖。例如H + O3 f HO + O2O + HO f H + O2总反应： O + O3 f 2O2/H四、极地O3空洞的及其形成机制（1）极地O3空洞：早在1950年代，人们已经在南极设立了观测站，对大气臭氧进行系统观测。最早在1985年英国的南极探险家J.C.Farma (法曼)提出了南极“臭氧空洞” 的说法

6、。他在南极哈雷湾(halley Bay)观测到自1975年开始，每年的早春(10月) 期间臭氧的减弱大于30%，而且1957到1975年间的变化很小。10月份南极的臭氧从1979年的290D.U. (1 D.U.=10-5cm,0摄氏度，1标准大气 压)减少到1985年的170D.U.,南极上空的臭氧已经非常稀薄，与周围相比好像形成 了一个“洞”。而且近年来的观测表明，全球对流层臭氧减少的趋势在继续，南极臭氧空洞依然 存在，这引起了全球科学家、政府、和民众的关注同时人们在北极地区也观测到了臭氧浓度下降的趋势，例如欧洲科学家小组研究 结果表明，1994-1995年的春季，北极地区平流层气温比其他

7、年份低，结果该年被几平 流层臭氧比正常年份减少约30%。但是在热带地区的平流层，没有发现臭氧减少的现象。极地O3损耗的化学机制太阳活动学说、大气动力学学说、从化学机制上普遍人为是Cl、Br等物质破坏结果。所以从化学机制上主要有：氯漠协同机制：Cl + O3 f ClO + O2Br + O3 f BrO + O2BrO+ ClOf Cl+Br + O2总反应：2O3 f 3O2HOx自由基链反应机制：HO + O3 f HO2 + O2Cl + O3 f ClO + O2ClO+ HO2f HOCl+ O2HOCl+ hvf HO+ Cl总反应： 2O3 f 3O2ClO二聚体链反应机制：Cl

8、 + O3 f ClO + O2ClO+ClO+Mf (ClO)2+M（ClO）2+ hvf C1OO+ ClC1OO+ Mf Cl+O +M2总反应：2O3 f 3O2（3）极地O3损耗的全球大气动力学和气候学机制为什么仅仅在南极、北极出现臭氧空洞？为什么在热带地区的平流层中没有发现臭氧层的破坏？这引起了人们关于臭氧损耗机制的广泛关注，目前的观点：南极臭氧空洞本来就是存在的，只是原来人们没有注意发现。也就是说，南极出 现臭氧空洞的根本原因并不是人为破坏的结果；其次南北极臭氧损耗的增强，臭氧空洞的扩大确实与人们的行为有关系，也就是 说，人类排放的污染物导致了臭氧空洞的扩大，即加剧了事态。为什么

9、在南极出现臭氧空洞比较大？从o3的空间分布角度分析：（全球大气动力学）0全球O的空间浓度分布是赤道低、两极高。原因是O的生成一般是一个吸热反应，所以在赤道地区由于温度较高，能够合成较多的O3,3但是低纬度地区合成的 03很快会随着大气环流向两极地区累积。30虽然0的浓度在极地较高，但是在极地的中心由于大气环流，所以有极地涡流产生，高速旋转的极地涡流使来自低纬度的空气不容易进入其中，所以在极地中 心，03的浓度又是比较低的。这样人们很容易观测到极地的臭氧空洞。0而且极地地区极低的气温，不利于0的合成，因为0的合成是一个吸热反应，但是低温有利于03的破坏，因为03的分解是一个放热反应。所以会导致极

10、地的03 的浓度低。333从03合成的时间分布分析：（气候学）0环流的空气涡旋，使南极中心几乎不能混合来自低纬度地区的含有03的空气；0冬季的南极，气温极低，漫长的冬季，几乎没有03的合成发生。0晚东早春，南极的气温达到了最低点，极低的气温导致极地平流云出现，极地平流云中形成了晶体H03H20 （低于-70摄氏度）和水的冰晶（低于-85摄氏度）。C1 原子的临时储存库C10 0和HC1在这些晶体表面发生非均相反应，释放出活性的HOC1 和C12。所以这些物质一旦遇到阳光，就会导致03的破坏。不强烈（只有少量得低温分解）。0但是由于在南极的漫长冬季里，阳光不会强烈（极夜），所以早冬南极03的破坏

11、0 但是在早春，南极的阳光一下子强烈，大量在冬季累积的HOCl和Cl导致O在短 时间内的大量破坏，所以出现这时期的南，极臭氧空洞。230随着极地的温度逐渐升高南极臭氧逐渐得到恢复，臭氧空洞就会减少：2首先太阳光逐渐增强，导致有更多的03合成；2其次，温度的升高将极地平流云升华，该过程使Cl原子的临时储存库Cl0 02和HCl不能在这些晶体表面发生反应，释放出活性的HOCl和Cl2。而且试验表明库 ClO - 02和HCl在气相中不容易释放活性的HOCl和Cl2。这也有利于减少03的破坏。2 再次，温度的升高，空气比重减小，使得极地环流不再那么强烈，来自低纬度 的空气能够一定程度上混合到极地中心

12、，补充了其中的臭氧，所以有利于臭氧的补 充。五、保护臭氧层国际公约1977年3月由联合国环境规划署在美国华盛顿召开32国专家会议，通过世界第 一个关于臭氧层的行动计划，要求进行臭氧层损耗的研究、损害评价、成立国际协调结 构等；1985年联合国环境规划署在奥地利的维也纳颁布了保护臭氧层维也纳公约；虽然人们早就发现CFC对破坏臭氧层有重大贡献，但是必须限制CFC排放的国际 舆论是在1985年南极臭氧空洞出现以后才出现的，并且人们认识到当时的措施，保持 目前的CFC生产量，并阻止其进入平流层是不切实际的替代方案。1987年加拿大的蒙特利尔通过了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书， 并于1989年1月1日生效，对世界CFC类物质的生产和使用，规定