环境化学 臭氧层的形成及损耗

1、臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗1 1、O O3 3 生成与消耗反应方程式生成与消耗反应方程式 生成反应：生成反应：O O2 2 + h + h （ 243nm243nm） 2O2O O + OO + O2 2 + M + M C C+ M + M 消耗反应：消耗反应：O O3 3 + h + h （210210 290nm 290nm） O O2 2 + O+ O 或者：或者： O + OO + O3 3 2O 2O2 2 2 2、O O3 3层破坏的催化反应机理层破坏的催化反应机理O3层破坏主要有三类链反应：HOx、NOx、ClOx。（1 1）NONOx x的催化作用的催化作用( (天

2、然源、飞机排放、宇宙射线天然源、飞机排放、宇宙射线) )平流层中的平流层中的N N2 2O O N N2 2O+ OO+ O 2NO 2NO NO+O NO+O3 3NONO2 2+O+O2 2NOxNOx清除清除O O3 3 的催化循环反应的催化循环反应 NO + ONO + O3 3 NO NO2 2 + O + O2 2 NO NO2 2 + O + O NO + O NO + O2 2 总反应：总反应： O + OO + O3 3 2O 2O2 2NOxNOx的消除的消除 N+NO N+NO N N2 2+O+O2 2 NO NO2 2 + O + O N N2 2O+ OO+ O（2

3、 2）水蒸气、甲烷等的影响）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(HOX -H，OH与HO2)，例如 O O3 3 + h + h （210210 290nm 290nm） O O2 2 + O+ O H2O+O2HO CH4+OCH3+HO H2+OH+HOO3损耗约10%。反应：OH + O3 HO2 + O2 HO2+ O3 HO + O2 总反应：2O3 3O2（3 3）天然或人为的氯、溴及其卤氧自由基的催化作用）天然或人为的氯、溴及其卤氧自由基的催化作用 平流层中平流层中ClOClOx x的天然源是海洋生物产生的的天然源是海洋生物产生的 CH

4、CH3 3Cl + Cl + h h CH CH3 3 + Cl + Cl（甲基氯（甲基氯- -对流层稳定）对流层稳定） 氟氯甲烷的光解氟氯甲烷的光解 CFClCFCl3 3 + + h h CFCl CFCl2 2 + Cl + Cl CF CF2 2ClCl2 2 + + h h CF CF2 2Cl + ClCl + Cl 氟氯甲烷光解产生的氟氯甲烷光解产生的Cl Cl 可破坏可破坏O O3 3 Cl + O Cl + O3 3 ClO + O ClO + O2 2 O + ClO O + ClO Cl + O Cl + O2 2 总反应：总反应： O + OO + O3 3 2O 2O

5、2 2 （4 4）总结）总结总结上述总结上述O O3 3层破坏的反应过程，可得到：层破坏的反应过程，可得到： Y + OY + O3 3 YO + O YO + O2 2 O + YO O + YO Y + O Y + O2 2 总反应：总反应： O + OO + O3 3 2O 2O2 2/Y/Y（上述可以消耗臭氧的物质可以相互作用，形成的产物（上述可以消耗臭氧的物质可以相互作用，形成的产物相当于将这些物质暂时贮存起来，一定条件下重新释放，相当于将这些物质暂时贮存起来，一定条件下重新释放，极地平流层的冰云中观测发现大量的物质：极地平流层的冰云中观测发现大量的物质：HONOHONO2 2、HO

6、HO2 2NONO2 2、ClONOClONO2 2、N N2 2O O5 5、HOClHOCl、HClHCl等）等）3 3、南极、南极O O3 3空洞的及其形成机制空洞的及其形成机制 （1 1）极地）极地O O3 3空洞：空洞：19501950年代年代最早在最早在19851985年，年，J.C.Farman(J.C.Farman(法曼法曼) ) 1010月份南极的臭氧从月份南极的臭氧从19791979年的年的290D.U.290D.U.（1 D.U.=101 D.U.=10-5-5cm,0cm,0摄氏摄氏度，度，1 1标准大气压）减少到标准大气压）减少到19851985年的年的170D.U.

7、170D.U.同时人们在北极地区也观测到了臭氧浓度下降的趋势同时人们在北极地区也观测到了臭氧浓度下降的趋势但是在热带地区的平流层，没有发现臭氧减少的现象但是在热带地区的平流层，没有发现臭氧减少的现象（2 2）极地）极地O O3 3损耗的化学机制损耗的化学机制 太阳活动学说太阳活动学说 大气动力学学说大气动力学学说 化学机制说（氟氯化烃）化学机制说（氟氯化烃）从化学机制上主要有：氯溴协同机制： Cl + O3 ClO + O2 Br + O3 BrO + O2 BrO+ ClO Cl+Br + O2 总反应： 2O3 3O2 自由基链反应机制： HO + O3 HO2 + O2 Cl + O3

8、ClO + O2 ClO+ HO2HOCl+ O2 HOCl+ hv HO+ Cl 总反应： 2O3 3O2 ClO二聚体链反应机制： Cl + O3 ClO + O2 ClO+ClO+M (ClO)2+M (ClO)2+ hv ClOO+ Cl ClOO+ M Cl+O2+M 总反应： 2O3 3O2（3 3）极地）极地O O3 3损耗的全球大气动力学和气候学机制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？为什么在热带地区的平流层中没有发现臭氧层的破坏？为什么在南极出现臭氧空洞比较

9、大？为什么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）全球O3的空间浓度分布是赤道低、中高纬高。原因？但在极地的中心O3的浓度又比较低，原因？而且极地地区极低的气温，不利于O3的合成从O3合成的时间分布分析：（气候学）冬季的南极，气温极低，漫长的冬季，几乎没有O3的合成发生。晚东早春，南极的气温达到了最低点，Cl原子的临时储存库但是由于在南极的漫长冬季里，阳光不会强烈（极夜），在早春，南极的阳光一下子强烈，大量在冬季累积的HOCl和Cl2导致O3在短时间内的大量破坏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：首先太阳光逐渐增强，导致有更多的首先太阳光

10、逐渐增强，导致有更多的O O3 3合成；合成；其次，温度的升高将极地平流云升华，其次，温度的升高将极地平流云升华，ClCl原子的临时储原子的临时储存库消失存库消失再次，温度的升高，空气比重减小，极地环流减弱。再次，温度的升高，空气比重减小，极地环流减弱。4 4、保护臭氧层国际公约、保护臭氧层国际公约19771977年年3 3月由联合国环境规划署在美国华盛顿召开月由联合国环境规划署在美国华盛顿召开3232国国专家会议，通过世界第一个关于臭氧层的行动计划，要求专家会议，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；进行臭氧层损耗的研究、损害评价、成立国

11、际协调结构等；19851985年联合国环境规划署在奥地利的维也纳颁布年联合国环境规划署在奥地利的维也纳颁布保护保护臭氧层维也纳公约臭氧层维也纳公约；虽然人们早就发现虽然人们早就发现CFCCFC对破坏臭氧层有重大贡献，但是必须限制对破坏臭氧层有重大贡献，但是必须限制CFCCFC排放的国际舆论是在排放的国际舆论是在19851985年南极臭氧空洞出现以后才出现的。年南极臭氧空洞出现以后才出现的。19871987年，加拿大，蒙特利尔，年，加拿大，蒙特利尔，关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书议定书，19891989年年1 1月月1 1日生效，对世界日生效，对世界CFCCFC类物质的生产和使用，类物质的生产和使用，规定了限制时间表。规定了限制时间表。人们仍发现，即使严格执行人们仍发现，即使严格执行议定书议定书，大气中的，大气中的ClCl今后今后5050年内年内仍会翻一倍，所以联合国连续在仍会翻一倍，所以联合国连续在19891989年年3 3月召开保护臭氧层伦敦会月召开保护臭氧层伦敦会议、议、公约公约议定书议定书缔约国会议等。强调保护臭氧层重要性。缔约国会议等。强调保护臭氧层重