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臭氧空洞 编辑
中文名：臭氧空洞
外文名：Ozonehole
发现时间：1984年
发现地点：南极上空
影响：关系到生物圈的安危和人类的生存
导致原因：氟氯烃
图1 臭氧空洞
大气中的臭氧吸收了大部分对生命有破坏作用的太阳紫外线，对地球生命形成了天然的保护作用。太阳紫外线中波长小于290纳米的部分被平流层臭氧分子全部吸收，但波长为290-320纳米，也就是通常所说的UV-B波段的紫外线也有90%被臭氧分子吸收，从而大大减弱了它到达地面的强度。如果平流层臭氧的含量减少，则地面受到的UV-B段紫外辐射的强度将会增加。可以毫不夸张地说，地球上的一切生命就像离不开水和氧气一样离不开大气臭氧层，大气臭氧是地球上一切生灵的保护伞。
图2 臭氧层让地球上的生物免遭短波紫外线的伤害
臭氧空洞指的是因空气污染物质，特别是氧化氮和卤化代烃等气溶胶污染物的扩散、侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象。
图3 臭氧空洞
这几年来，它们在大气里的含量也的确降低了一点。这张照片是用特殊方法拍摄的，因为我们用肉眼是看不到哪里的臭氧被破坏了。在这张照片里，蓝色的深浅代表臭氧的含量，颜色愈深，臭氧的含量愈少。从照片中我们清楚地看到臭氧最少的地方在南极上空，这就是我们平常说的南极臭氧空洞。科学家们一直关注着南极上空的这个空洞，因为它在不停地变化着。这张图片中的空洞还算不大。
除了南北两极之外，在青藏高原上空也发现了臭氧分布稀薄区。人类对臭氧层的保护已显得更为紧迫。
臭氧是引起气候变化的主要因子，同时又是重要的氧化剂，在大气光化学过程中起着重要作用。臭氧吸收了6太阳光中的大部分的紫外线并将其转换为热能从而加热大气，也能吸收9-10微米的热红外线，使大气层加热。
正是由于臭氧的这一特性，使得地球上空15～50公里的大气层中存在着升温层（逆温层），因此，臭氧对平流层的温度结构和大气运动起决定性的作用，而大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，臭氧浓度的变化不仅影响到平流层大气的温度和运动，也影响了全球的热平衡和全球的气候变化。除此之外，在对流层中，臭氧因对红外线的吸收作用而被称为温室气体之一。
图4 臭氧空洞
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，就会导致臭氧耗损，使臭氧浓度减少。
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（CFxCl4-x，又称Freon），以及用于特殊场合灭火的溴氟烷烃（CFXBr4-x，又称Halons哈龙）等化学物质。
对南极臭氧洞形成原因的解释有三种，即大气化学过程解释，太阳活动影响和大气动力学解释。
大气化学
大气化学过程解释，认为臭氧层中可以产生某种大气化学反应，将3个氧原子含量的臭氧（O3）分解为分子氧（O2）和原子氧（O），从而破坏了臭氧层；
化学机理
图5 臭氧空洞
1.人为影响，人类活动产生的含氯化合物进入大气层
2.与太阳活动周期有关的自然现象
3.区域性天气动力学过程
4.火山活动
化学过程
图6 臭氧空洞
CFxCl4-x+hv→·CFxCl3-x+·Cl
·Cl+O3→·ClO+O2
·ClO+O→O2+·Cl
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O3分子，这就是氯氟烷烃或溴氟烷烃破坏臭氧层的原因。
国际组织《关于耗损臭氧层物质的蒙特利尔议定书》规定了15种氯氟烷烃、 3种哈龙、40种含氢氯氟烷烃、34种含氢溴氟烷烃、四氯化碳（CCl4）、甲基氯仿（CH3CCl3）和甲基溴（CH3Br）为控制使用的消耗臭氧层物质，也称受控物质。其中含氢氯氟烷烃（如,HCFCl2）类物质是氯氟烷烃的一种过渡性替代品，因其含有H，使得它在底层大气易于分解，对O3层的破坏能力低于氯氟烷烃，但长期和大量使用对O3层危害也很大。
在工程和生产中作为溶剂的四氯化碳（CCl4）和甲基氯仿（CH3CCl3），同样具有很大的破坏臭氧层的潜值，所以也被列为受控物质。
图7 臭氧空洞
研究发现，核爆炸、航空器发射、超音速飞机将大量的氮氧化物注入平流层中，也会使臭氧浓度下降。
NO对臭氧层破坏作用的机理为：
O3+NO→O2+NO2，
O+NO2→O2+NO,
总反应式为：O+O3→2O2。
太阳活动
图8 臭氧空洞
科学解释
大气动力学解释认为，初春，极夜结束，太阳辐射加热空气，产生上升运动，将对流层臭氧浓度低的空气输入平流层，使得平流层臭氧含量减小，容易出现臭氧洞。
图9 臭氧空洞
本来，在离地20公里～30公里的大气层内，是臭氧集中分布的地带，称作臭氧层，太阳辐射透过这层大气时，大量的臭氧吸收了波长较短的紫外线辐射（0.20微米～0.30微米波段），大大减弱了到达地面太阳辐射中的紫外线强度。然而，若臭氧层的臭氧含量大大减少，则吸收太阳紫外线辐射的能力减弱，到达地面的太阳辐射强度会增大。
图10 臭氧空洞
在臭氧层内各地分布不均匀，世界三极地区即南极、北极和青藏高原气候寒冷，臭氧层微薄。某处臭氧层中臭氧含量的减少等于在屋顶上开了天窗，如果减少到正常值的50%以上，人们形象地说这是个臭氧洞。
臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积、深度及延续时间。 南极臭氧洞2000年9月3日南极上空的臭氧层空洞面积达到2830万平方公里，超出中国面积两倍以上，相当于美国领土面积的3倍。这是迄今观测到的最大的臭氧层洞。图10中覆盖在南极上空如同兰色水滴的就是就是卫星观测到的臭氧洞。
南极是一个非常寒冷的地区，终年被冰雪覆盖，四周环绕着海洋。1985 年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：1977-1984年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。1985年前南极臭氧洞大小和深度，大约以两年为消长周期。
图11臭氧空洞
图12 臭氧空洞
2008年形成的南极臭氧空洞的面积到9月第二个星期就已达2700万平方公里，而2007年的臭氧空洞面积只有2500万平方公里。2000年，南极上空的臭氧空洞面积达创记录的2800万平方公里，相当于4个澳大利亚。科学家目尚不清楚2008年的臭氧空洞面积是否会打破这个记录。
图13 南极消融
大气圈的臭氧入不敷出，浓度降低。科学家在1985年首次发现： 1984年9、10月间，南极上空的臭氧层中，臭氧的浓度较20世纪70年代中期降低40%，已不能充分阻挡过量的紫外线，造成这个保护生命的特殊圈层出现“空洞”，威胁着南极海洋中浮游植物的生存。据世界气象组织的报告：1994年发现北极地区上空平流层中的臭氧含量，也有减少，在某些月份比20世纪60年代减少了25-30%。而南极上空臭氧层的空洞还在扩大，1998年9月创下了面积最大达到2500万Km2的历史记录。
臭氧层为什么会出现“空洞”？许多科学家认为，是使用氟利昂作制冷剂及在其他方面使用的结果。氟利昂由碳、氯、氟组成，其中的氯离子释放出来进入大气后，能反复破坏臭氧分子，自己仍保持原状，因此尽管其量甚微，也能使臭氧分子减少到形成“空洞”。我国科学家新近提出，仅仅是氟利昂的作用还不够，太阳风射来的粒子流在地磁场的作用下向地磁两极集中，并破坏了那里的臭氧分子，这才是主要原因。（杨学祥，1999）而无论如何，人为地将氯离子送进大气，终是一种有害行为。
图14 臭氧空洞
臭氧是大气中的微量气体之一，其主要浓集在平流层中20-25km的高空，即大气的臭氧层。臭氧层对保护地球上的生命界以及调节地球的气候都具有极为重要的作用。然而，近些年来，由于在平流层内运行的飞行器日益增多，人类活动产生的一些痕量气体如NO。和氯氟烃等进入平流层，使臭氧层遭到破坏，以致于在南极上空出现了“臭氧空洞”。
导致大气中臭氧减少和耗竭的物质，主要是平流层内超音速飞机排放的大量NO。以及人类大量生产与使用的氯氟烃化合物（氟利昂），如CFCl3（氟利昂-11）、CF2Cl2（氟利昂-12）等。1973年，全球这两种氟利昂的产量达480万、，其大部分进入低层大气，再进入臭氧层。氟利昂在对流层内性质稳定，但进入臭氧层后，易与臭氧发生反应而消耗臭氧，以致降低臭氧层中O3浓度。
2011年，据国家卫星气象中心监测数据显示，风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区，在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右，部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。虽然没有形成南极上空那样规模的臭氧洞，但由于北半球人口密度远高于南半球，臭氧低值区覆盖的范围内紫外线对人类健康的影响比南极臭氧洞更重要。导致北极臭氧洞形成的主要原因是春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云，在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子
图15 臭氧空洞
此结论与国外科学家的最新地面观测结果基本一致。德国物理学家马库斯·雷克斯表示，北极30个臭氧监测站获得的初始数据显示，冬季臭氧浓度下降的情况比以往更严重。他说，在春天来临之前，“第一个北极臭氧洞也许已经形成，这种发展速度非常惊人，可能将被载入史册。目前下定论还为时尚早，不过请静候我们的进一步消息”。据专家说，臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空，他们发出警告说，皮肤癌风险或将提升。
北极上空2011年春天臭氧减少状况超出先前观测记录，首次像南极上空那样出现臭氧空洞，
这个臭氧空洞主要因北极地区罕见长时间寒冬而形成。
图16 臭氧空洞
这项研究由来自美国、加拿大、芬兰、丹麦、日本等9个国家的研究人员完成，研究报告发表于英国《自然》杂志网络版。
2014年，美国国家海洋和大气管理局与宇航局共同对南极洲上空的臭氧空洞进行了持续的观察，臭氧空洞在9月11日达到了年度峰值。2014年臭氧空洞最大时有2410万平方公里，几乎与2013年的峰值相当。它还远未达到曾经创下的单日最高纪录，卫星在2000年观测到的面积达到了2990万平方公里。这一状况在1998年到2006年间最糟糕，臭氧空洞似乎正在逐渐恢复。
对人类生存
图17 臭氧空洞
推而广之，若臭氧层全部遭到破坏，太阳紫外线就会杀死所有陆地生命，人类也遭到“灭顶之灾”，地球将会成为无任何生命的不毛之地。可见，臭氧层空洞已威胁到人类的生存了。
1987年，主要工业国签署了《蒙特利尔公约》，要求逐步停止使用危害臭氧层的化学物质。而且已有更健康的第三代制冷剂出现了，这就是氨。氨是自然存在的物质，由氢和氮元素组成，对环境影响微乎其微。
对生物圈
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。
图18 臭氧空洞
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，因而减少俘获阳光的有效面积，对光合作用产生影响。对大豆的研究初步结果表明，紫外辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害。臭氧层厚度减少25%，可使大豆减产20~25%。
紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的危险。紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧，使橡胶、塑料等有机材料加速老化，使油漆褪色等。
臭氧除了能够对气候变化产生影响，从而影响环境和生态外，还对人类健康产生强烈的直接影响。由实验及实际观测推论会造成以下的影响。
对人类
1．增加皮肤癌：臭氧减少1%，皮肤癌患者增加4%－6%，主要是黑色素癌；
2．损害眼睛，增加白内障患者；
3．削弱免疫力，增加传染病患者。
对生态影响
1．农产品减产及其品质下降。试验200种作物对紫外线辐射增加的敏感性，结果2/3有影响，尤其是大米、小麦、棉花、大豆、水果和洋白菜等人类经常食用的作物。估计臭氧减少1%，大豆减产1%。
2．减少渔业产量。紫外线辐射可杀死10米水深内的单细胞海洋浮游生物 。实验表明，臭氧减少10%，紫外线辐射增加20%，将会在15天内杀死所有生活在10米水深内的鳗鱼幼鱼。
3．破坏森林。
据研究，臭氧减少影响人类健康及生态系统的主要机制是紫外线辐射的增加会破坏脱氧核糖核酸（DNA），以改变遗传信息及破坏蛋白质。除了影响人类健康和生态外，因臭氧减少而造成的紫外辐射增多还会造成对工业生产的影响，如使塑料及其他高分子聚合物加速老化。
臭氧洞的出现 ,全球臭氧含量的减少 ,会使大气吸收紫外线的能力大大减弱 ,导致到达地球表面的紫外 线特别是 UV - B 明显增加 ,这将给人类健康和生态环境造成一系列灾难性影响 . 研究表明 ,长期接受过量 紫外线辐射 ,会引起人体细胞中脱氧核糖核酸 ( DNA) 的改变 , 形成腺嘧啶二聚物 , 从而阻止 DNA 双螺体分 离 ,使细胞自身修复机能减弱 ,人体免疫机能减退 . 强紫外线辐射会诱发人体皮肤癌变 ,使眼球晶状体混浊 , 产生白内障以至失明 . 据分析 ,平流层臭氧减少 1 % ,辐射到地面的紫外线数量就会增加 1. 5 % - 3. 0 % ,全球 皮肤癌发病率将增加 5 % - 7 % ,白内障发病率将增加 0. 6 % - 0. 8 %. 臭氧减少 2. 5 % ,每年死于皮肤癌的人 数将增加 1. 5 万人 , 由于白内障而引起失明的人数将增加10 000 - 15 000人 . 如果不限制 CFCS 的生产和消 费 ,按臭氧层破坏速率推算 ,到 2075 年时 ,地球臭氧总量将比 1985 年再耗减 25 % ,全世界人口中将有皮 肤癌患者 1. 54 亿人 ,死于皮肤癌者 320 万人 ,眼睛患白内障者1 800万人 . 紫外辐射增加造成人体免疫机能的抑制 ,还会使许多疾病的发病率和病情的严重程度大大增加。
不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少的现象，美、日、英、俄等国家联合观测发现，北极上空臭氧层也减少了 20%，已形成了面积约为南极臭氧空洞三分之一的北极臭氧空洞。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，已经成为大气层中的第三个臭氧空洞。
图19 臭氧空洞
气象厅解释说，一方面，在国际社会努力下，破坏臭氧层的氯氟烃浓度正缓慢减少；另一方面，气象条件发挥了更重要的影响，主要是南极的低温区域比往年减小，难以形成所谓的“极区平流层云”，这也抑制了大气层中部分化合物与臭氧分子发生反应，减少了它们对臭氧层的破坏。
日本气象厅臭氧层信息中心说，臭氧层位于地球大气层的平流层，可以阻止有害紫外线进入大气层。但是氯氟烃等气体排放正破坏南北两极上空的臭氧层。每年8月和9月，南极气温降低，上空就会出现臭氧层空洞。而是可能与2012年南极7月份和8月份气温相对往年较高有关。今后有可能再次出现更大的臭氧空洞，南极臭氧层要恢复到1980年之前的水平，需等到本世纪中叶。
巨大空洞正在缩小
据美国国家航空航天局（NASA）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的卫星数据显示，臭氧层空洞的历史最大值发生在2000年9月6日，面积达2990万平方公里，这个数据相当于美国、加拿大和墨西哥国土面积的总和。到2012年，他们记录到的臭氧空洞当年最大值，发生在9月22日，面积为2120万平方公里，已缩小了41%。而2012年南极臭氧层空洞的平均面积最小值为1790万平方公里，这也是过去20年来的第二小值。我们终于看到了相对乐观的结果。
据观测，大气中的臭氧耗损物质浓度已经停止上升，并呈现逐渐降低的趋势。从这样的情况看，大气中的臭氧浓度将不再降低。但由于臭氧耗损物质分解缓慢，纽曼认为，可能要到2065年南极臭氧层才能恢复到当年的水平。不过总体来说，臭氧层的恢复仍要归功于国际协定对耗损臭氧的化学品生产的管制。
2019年10月21日，美国国家航空航天局(NASA)和美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的科学家称，臭氧空洞缩小到有记录以来的最小尺寸。尽管这是一个好消息，但科学家称，这与全球气候变化似乎无关，也不意味着臭氧层在快速恢复中。科学家表示，这是40年来出现的第三次，由于温度过高导致的臭氧消耗减少。1988年9月和2002年9月，也曾发生类似情况。
在现代经济中，氟里昂等物质应用非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟里昂等的替代物质和替代技术。在特殊情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。世界上一些氟里昂的主要生产厂家参与开发研究了替代氟里昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC和含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂等，但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟里昂类型的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。
为了推动氟里昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质，许多国家采取了一系列政策措施。一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚，欧盟国家和一些经济转轨国家广泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费、资助替代物质和技术开发等。美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标志得到了非常广泛的应用。
为了实施议定书的规定，1990年6月在伦敦召开的议定书缔约国第二次会议上，决定设立多边基金，对发展中国家淘汰有关物质提供资金援助和技术支持。1991年建立了临时多边基金，1994州年转为正式多边基金。到1995年底，多边基金共集资4.5亿美元，在发展中国家共安排了1100多个项目。
到1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，受控物质使用量仍处于增长阶段。中国由于经济持续高速增长，家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等产品都大幅度增长，受控物质使用量比1986年增长了一倍以上，成为世界上使用受控物质最多的国家之一。
从各项国际环境条约执行情况而言，这项议定书执行的是最好的。向大气层排放的消耗臭氧屋物质已经逐年减少，从1994年起，对流层中消耗臭氧层物质浓度开始下降。预计到2000年，平流层中消耗臭氧层物质的浓度将达到最大限度，然后开始下降。但是，由于氟利昂相当稳定，可以存在50至100年，即使议定书完全得到履行，臭氧层的耗损也只能在2050年以后才有可能完全复原。另据1998年6月世界气象组织发表的研究报告和联合国环境规划署作出的预测，大约再过20年，人类才能看到臭氧层恢复的最初迹象，只有到21世纪中期臭氧层浓度才能达到本世纪60年代的水平。
