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山东省烟台市栖霞翠屏中学高一地理 大气污染知识 臭氧层学案人类真正认识臭氧是在150多年以前，德国化学家先贝因（schanbein）博士首次提出在水电解及火花放电中产生的臭味，同在自然界闪电后产生的气味相同，先贝因博士认为其气味难闻，由此将其命名为臭氧。臭氧层顾名思义，带有微臭，在闪电的时候，有可能会闻到一股怪味，这便是闪电带下来的。2 形成原因 自然界中的臭氧，大多分布在距地面20km-50km的大气中，我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道，太阳光线中的紫外线分为长波和短波两种，当大气中（含有21%）的氧气分子受到短波紫外线照射时，氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强，极易与其他物质发生反应。如与氢（h2）反应生成水（h2o)，与碳（c）反应生成二氧化碳（c02）。同样的，与氧分子（o2）反应时，就形成了臭氧（o3）。臭氧形成后，由于其比重大于氧气，会逐渐的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着温度的变化（上升），臭氧不稳定性愈趋明显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。3 基本作用 其一为保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长306.3nm以 下的紫外线，主要是一部分uvb(波长290300nm)和全部的uvc(波长290nm=，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线uv-a和少量的中波紫外线uv-b能够辐射到地面，长波紫外线对生物细胞的 伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍 。其二为加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，由于这种作用 大气温度结构在高度50km左右有一个峰，地球上空1550km存在着升温层。正是由于存在着 臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存在平流层。 大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。其三为 温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。因此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。4 测量方法 臭氧的测量包括铅直气柱中臭氧总量的测量和臭氧浓度铅直分布的测量两种。测量方法分直接法和间接法：前者对臭氧进行采样分析；后者在臭氧层外进行测量，大都用光谱分析方法。臭氧测量结果，除采用通常的单位表示外，还用多布森单位，记为du，它等于千分之一厘米（标准状态臭氧层厚）。臭氧间接测量法：光谱分析法是观测穿过大气层的太阳直射光或散射光的光谱，然后计算出臭氧含量及其铅直分布。在臭氧吸收带中（见大气臭氧层），太阳直射光或散射光穿过大气层，受到臭氧分子的吸收，并受到气体分子和气溶胶粒子的散射。波长为的单色太阳光，通过大气层时辐射强度的削弱服从比尔定律。测量臭氧的常用光学仪器有多布森分光光度计和m-83滤光片臭氧仪。多布森分光光度计被认为是测量臭氧的标准仪器。其他类型的仪器都必须定期用它校准。m-83滤光片臭氧仪主要在苏联和欧洲的部分国家使用。用气象卫星也可以测得全球臭氧的分布。如雨云4号卫星上用后向散射紫外光谱仪和红外干涉光谱仪进行大气臭氧的观测。前者测量大气对太阳光的后向紫外散射，它接收25003400埃中12个波段的紫外光谱，由此反演出大气臭氧含量全球的分布；后者除了测量大气温度和湿度外,还测量大气臭氧（9.6微米波段，在此波段中接收 4个波长的辐射）。将这两种光谱仪结合起来，可以探测大气臭氧浓度随高度的分布，例如在雨云 6号卫星上，有临边辐射反演辐射仪(lrir)，它接收大气臭氧9.6微米辐射带的信息,用辐射传输方程反演，可获得臭氧的铅直分布。 臭氧直接测量法用电化学或化学发光方法测量臭氧含量，可不受大气透明度和天气条件的限制，白天或黑夜均可进行观测。 臭氧测量方法各有优缺点，常常要用多种方法互相补充，互相比较，以求获得完整可靠的资料。5 破坏原因 对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解。但是大多数人认为，人类过多地使用氯氟烃类化学物质（用cfcs表示）是破坏臭氧层的主要原因。氯氟烃是一种人造化学物质，1930年由美国的杜邦公司投入生产。在第二次世界大战后，尤其是进入60年以后，开始大量使用，主要用作气溶胶、制冷剂、发泡剂、化工溶剂等。另外，哈龙类物质（用于灭火器）、氮氧化物也会造成臭氧层的损耗。 6 破坏机理 人类活动排入大气中的一些物质进入平流层与那里的臭氧发生化学反应，导致臭氧耗损，使臭氧浓度减少的现象被称作臭氧层破坏或臭氧层损耗。臭氧层中的臭氧是在离地面较高的大气层中自然形成的，其形成机理是：o紫外辐射o+o（高层大气中的氧气受阳光紫外辐射变成游离的氧原子）o+o=o（有些游离的氧原子又与氧气结合就生成了臭氧，大气中90%的臭氧是以这种方式形成的）o是不稳定分子，来自太阳的紫外辐射既能生成o，也能使o分解，产生o分子和游离o原子，因此大气中臭氧的浓度取决于其生成与分解速度的动态平衡。人为消耗臭氧层的物质主要是：广泛用于冰箱和空调制冷、泡沫塑料发泡、电子器件清洗的氯氟烷烃（cfcs）以及用于特殊场合灭火的溴氟烷烃（halons哈龙）等化学物质。这些物质被称为消耗臭氧层物质，国际社会为了保护臭氧层，将这些物质列入淘汰或受控制使用的名单中，因此也称这些物质为“受控物质”。消耗臭氧层的物质，在大气的对流层中是非常稳定的，可以停留很长时间，以cfc12为例，它在对流层中寿命长达120年左右，因此这类物质可以扩散到大气的各个部位，但是到了平流层后，就会被太阳的紫外辐射分解，释放出活性很强的游离氯原子或溴原子，参与导致臭氧损耗的一系列化学反应：游离的氯原子或溴原子与o分子反应，产生氯或溴的一氧化物，夺走o分子的一个氧原子，使之变成氧分子。氯或溴的一氧化物与游离的氧原子反应，释放“夺来”的氧原子，形成更多的氧分子和游离氯原子或游离溴原子，新的游离氯原子或溴原子重新与其它o分子反应，再度生成o分子和氯或溴的一氧化物，这样的反应循环不断，每个游离氯原子或溴原子可以破坏约10万个o分子，这就是氯氟烷烃或溴氟烷烃破坏臭氧层的原因。破坏臭氧层的过程可表示如下：含氯或含溴的化合物太阳紫外辐射游离cl（或br）o+cl（或br）clo（或bro）+o clo（或bro）+o游离cl（或br）+o7 破坏现状 臭氧（o3）是氧元素的同素异形体，它的化学性质十分活泼，很容易跟其他物质发生化学反应。实际上，在臭氧层内，臭氧的形成是众多物质参与，一系列化学反应达到化学平衡的结果。臭氧在遇到h、oh、no、cl、br时，就会被催化，加速分解为o2。氯氟烃之所以被认为是破坏臭氧层的物质就是因为它们在在太阳辐射下分解出cl和br原子。 1984年，英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。1985年，美国的 “雨云-7号”气象卫星测到了这个臭氧洞。1985 年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：在过去 10 - 15 年间、每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，有近 95% 的臭氧被破坏。从地面上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比像是形成一个“洞”，直径达上千公里，“臭氧洞”由此而得名。卫星观测表明，此洞覆盖面积有时比美国的国土面积还要大。到 1998 年臭氧空洞面积比 1997 年增大约 15%，几乎相当于三个澳大利亚大。前不久，日本环境厅发表的一项报告称，1998 年南极上空臭氧空洞面积已达到历史最高记录，为 2720 万平方公里，比南极大陆还大约 1 倍。美、日、英、俄等国家联合观测发现，近年来，北极上空臭氧层也减少了 20%。在被称为是世界上“第三极”的青藏高原，中国大气物理及气象学者的观测也发现，青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度减少。根据全球总臭氧观测的结果表明，除赤道外，1978 - 1991 年总臭氧每 10 年间就减少 1% - 5%。18 破坏危机 臭氧层耗竭，会使太阳光中的紫外线大量辐射到地面。紫外线辐射增强，对人类及其生存的环境会造成极为不利的后果。有人估计，如果臭氧层中臭氧含量减少10%，地面不同地区的紫外线辐射将增加19%22%，由此皮肤癌发病率将增