《环境学概论》读书报告（环境学导论）[范本]

环境学概论读书报告（环境学导论）二、臭氧层破坏大气臭氧层的损耗是当前世界上又一个普遍关注的全球性大气环境问题，它同样直接关系到生物圈的安危和人类的生存。南极臭氧洞一经发现，立即引起了科学界及整个国际社会的高度重视。科学家需要对这一问题的许多现象和特征进行探索，如臭氧洞为什么发生在南极地区？为什么臭氧损耗的规模如此之大？为什么每年的南极臭氧洞发生在春季？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。以后经过数年的连续观测，进一步得到证实。据NASA报道，NASA的“雨云-7号”卫星上的总臭氧测定记录数据表明，近年来，南极上空的臭氧洞有恶化的趋势。目前不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少现象。NASA和欧洲臭氧层联合调查组分别进行的测定都表明了这一点。臭氧（O3）是氧（O）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，加速分解为氧气（O2）。氟氯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氯（Cl）和溴（Br）原子。对于这些涉及臭氧损耗的地域性、季节性及其规模的定性和定量研究，是自南极臭氧洞被发现之后的科学热点。对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解。最初对南极臭氧洞的出现有过三种不同的解释，一种认为，南极臭氧洞的发生是因为对流层的低臭氧浓度的空气传输到达平流层，稀释了平流层臭氧的浓度；第二种解释认为，南极臭氧洞是由于宇宙射线的作用在高空生成氮氧化物的结果；此外，美国科学家莫里纳（Molina）和罗兰德（Rowland）提出，人工合成的一些含氯和含溴的物质是造成南极臭氧洞的元凶，最典型的是氟氯烃（CFCs，俗称氟里昂）和含溴化合物哈龙（Halons），此外还有一些氮氧化物也会造成臭氧层的损耗。氟氯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。哈龙类物质多用于灭火器。目前，越来越多的科学证据否定了前两种观点，而证实氯和溴在平流层通过催化化学过程破坏臭氧是造成南极臭氧洞的根本原因。那么，氟氯烃和哈龙是怎样进入平流层，又是如何引起臭氧层破坏的呢？在平流层内离地面20-30千米的地方是臭氧的集中层带，在这个臭氧层中存在着氧原子（O）、氧分子（O2）和臭氧（O3）的动态平衡。但是氮氧化物、氯、溴等活性物质及其他活性基团会破坏这个平衡，使其向着臭氧分解的方向转移。而氟氯烃物质的非同寻常的稳定性使其在大气同温层中很容易聚集起来，其影响将持续一个世纪或更长的时间。在强烈的紫外辐射作用下它们光解出氯原子和溴原子，成为破坏臭氧的催化剂（一个氯原子可以破坏10万个臭氧分子）。我们知道，就重量而言，人为释放的氟氯烃和哈龙的分子都比空气分子重，但这些化合物在对流层是化学惰性的，即使最活泼的大气组分自由基对氟氯烃和哈龙的氧化作用也微乎其微，完全可以忽略。因此它们在对流层十分稳定，不能通过一般的大气化学反应去除。经过一两年的时间，这些化合物会在全球范围内的对流层分布均匀，然后主要在热带地区上空被大气环流带入到平流层，风又将它们从低纬度地区向高纬度地区输送，在平流层内混合均匀。在平流层内，强烈的紫外线照射使氟氯烃和哈龙分子发生解离，释放出高活性的原子态的氯和溴，氯和溴原子也是自由基。氯原子自由基和溴原子自由基就是破坏臭氧层的主要物质，它们对臭氧的破坏是以催化的方式进行的：Cl + O3 ClO + O2ClO + O Cl + O2 。溴原子自由基也是以同样的过程破坏臭氧，因此，也是催化剂。据估算，一个氯原子自由基可以破坏104105个臭氧分子，而由哈龙释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的3060倍。而且，氯原子自由基和溴原子自由基之间还存在协同作用，即二者同时存在时，破坏臭氧的能力要大于二者简单的加和。但是，上述的均相化学反应并不能解释南极臭氧洞形成的全部过程。深入的科学研究发现，臭氧洞的形成是有空气动力学过程参与的非均相催化反应过程。所谓非均相，是指大气中除气态组分外，还有固相和液相的组分。人们对大气中存在云、雾和降雨等早已司空见惯，但这种现象一般发生在对流层。平流层干燥寒冷，空气稀薄，较少出现对流层这些天气现象。但在冬天，南极地区的温度极低，可以达到零下80摄氏度, 这样极端的低温造成两种非常重要的过程，一是极地的空气受冷下沉，形成一个强烈的西向环流，称为“极地涡旋”（Polar Vortex）。该涡旋的重要作用是使南极空气与大气的其余部分隔离，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的反应器。另外，尽管南极空气十分干燥，极低的温度使该地区仍有成云过程，云滴的主要成分是三水合硝酸（HNO33H2O）和冰晶，称为极地平流层云(Polar Stratospheric Clouds)。实际上，当氟氯烃和哈龙进入平流层后，通常是以化学惰性的形态（ClONO2和HCl）而存在，并无原子态的活性氯和溴的释放。南极的科学考察和实验室的研究都证明，化学惰性的ClONO2和HCl 在平流层云表面会发生以下化学反应：ClONO2 + HCl Cl2 + HNO3ClONO2 + H2O HOCl + HNO3 ，生成的HNO3被保留在云滴相中。当云滴成长到一定的程度后将会沉降到对流层，与此同时也使HNO3从平流层去除，其结果是造成Cl2和HOCl等组分的不断积累。Cl2和HOCl 是在紫外线照射下极易光解的分子，但在冬天南极的紫外光极少，Cl2和HOCl的光解机会很小。当春天来临时，阳光返回南极地区，太阳辐射中的紫外射线使Cl2和HOCl开始发生大量的光解，产生前述的均相催化过程所需的大量的原子氯，从而造成严重的臭氧损耗。氯原子的催化过程可以解释所观测到的南极臭氧破坏的约70%，另外，氯原子和溴原子的协同机制可以解释大约20%。随后更多的太阳光到达南极，南极地区的温度上升，气象条件发生变化，结果是南极涡旋逐渐消失，南极地区臭氧浓度极低的空气传输到地球的其他高纬度和中纬度地区，造成全球范围的臭氧浓度下降。北极也发生与南极同样的空气动力学和化学过程。研究发现，北极地区在每年的一月至二月生成北极涡旋，并发现有北极平流层云的存在。在涡旋内活性氯（ClO）占氯总量的85% 以上，同时测到与南极涡旋内浓度相当的活性溴（BrO）的浓度。但由于北极不存在类似南极的冰川，加上气象条件的差异，北极涡旋的温度远较南极高，而且北极平流层云的量也比南极少得多，因此目前北极的臭氧层破坏还没有达到出现又一个臭氧洞的程度。因此，南极臭氧洞的形成是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程，但其产生根源是地球表面人为活动产生的氟里昂和哈龙，曾经是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的科学解释。但是令科学家和社会各界忧虑的是，氟氯烃和哈龙具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难去除，这意味着它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程，臭氧层正受到来自人类活动的巨大威胁。为了评估各种臭氧层损耗物质对全球臭氧破坏的相对能力，科学上采用了“臭氧损耗潜势”（Ozone Depletion Potential, ODP）这一参数。臭氧损耗潜势是指在某种物质的大气寿命期间内，该物质造成的全球臭氧损失相对于相同质量的CFC-11的排放所造成的臭氧损失的比值。在大气化学模式计算中，某物质X的ODP值可以表示为：ODP=单位物质X引起的全球臭氧减少/单位质量的CFC-11引起的全球臭氧减少。臭氧损耗物质的大气浓度分布及参与的大气化学过程是影响其ODP 值的主要因素。由于对这些因素的处理方式不同，不同的研究者得到的臭氧损耗物质的ODP值存在一定的差异，但各类臭氧层损耗物质的ODP 值的次序大体一致：含氢的氟氯烃化合物的ODP 值远较氟里昂低，而许多哈龙类化合物对平流层的破坏能力大大超过氟里昂。这些研究为决策者指定臭氧层损耗物质的淘汰战略和替代方案提供了有力的科学依据。由于臭氧层中臭氧的减少，照射到地面的太阳光紫外线增强，其中波长为240-329纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用，对生物圈中的生态系统和各种生物，包括人类，都会产生不利的影响。臭氧层破坏以后，人体直接暴露于紫外辐射的机会大大增加，这将给人体健康带来不少麻烦。首先，紫外辐射增强使患呼吸系统传染病的人增加；受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率。此外，强烈的紫外辐射促使皮肤老化。臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响。近十几年来，人们对200多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验，其中三分之二的植物显示出敏感性。一般说来，紫外辐射增加使植物的叶片变小，因而减少俘获