北極上空同溫層雲狀物惡化了臭氧濃度減少情況

據2011年3月最新研究發現，在詭異的冷溫輔助下，這個冬天同溫層危險的“美麗”雲狀物剝去了北極大氣層中具有保護作用的臭氧層。科學家猜測北極第一個臭氧洞或已形成。

所謂的臭氧洞，又稱臭氧層空洞，是大氣平流層中臭氧濃度大量減少的空域，如著名的南極臭氧洞。有專家警告皮膚癌危險或將提升，低濃度臭氧地帶範圍向南最遠已經到達了紐約上空。同溫層中包含著臭氧層，它像一塊毯子覆蓋在地球上空，為地球阻擋來自太陽的大部分高頻紫外線，這些紫外線會傷害地球表面，同時會曬傷人類皮膚，甚至引起皮膚癌。

早在20世紀80年代，科學家們就意識到氯氟烴和其他對臭氧有害的化學物質正在侵蝕著臭氧層，這些化學物質被廣泛運用於發膠和製冷劑等物品中。1987年簽訂的蒙特利爾議定書（Montreal Protocol）要求全球逐步淘汰氯氟烴，用其他不會破壞臭氧層的物質來代替它。然而，已經存在於大氣中的氯氟烴能停留好幾十年。

氯氟烴一旦到達上層大氣就會分解成氯原子，當被陽光啟動，它就會破壞臭氧分子。冷溫能夠通過極地的同溫層“雲狀物”加速這個過程，這些“美麗”雲狀物會在同溫層溫度降低到至少華氏溫度零下108度（零下78攝氏度）時形成，給未被啟動的氯物質提供庇護所，在這些雲狀物的表面，氯物質互相之間發生反應，釋放具有“攻擊性”的氯原子，攻擊臭氧分子。一旦氣溫回暖，這個過程就會停止。

德國阿爾佛雷德·韋格納極地及海洋研究所(Alfred Wegener Institute for Polar andMarineResearch)的物理學家馬庫斯·雷克斯（Markus Rex）認為，北極上空持續的結冰天氣可能已經將臭氧層標準濃度減少至原來的一半。根據北極地區30所臭氧監測站的初始資料顯示，這個冬天臭氧損失情況要比以前嚴重得多。雷克斯猜測，在春天來臨之前，“北極第一個臭氧洞可能已經形成，這可能將載入史冊”。

對此德國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research）的大氣化學家西蒙尼·迪爾梅斯（Simone Tilmes）也表示同意。他並未參與到這次研究中，他稱：“我們現在並不知道北極臭氧洞將發展到多大，因為臭氧層日益變薄的事情正在發生。

臭氧層是地球最好的保護傘，它吸收了來自太陽的大部分紫外線。然而近二十年的科學研究和大氣觀測發現：每年春季南極大氣中的臭氧層一直在變薄，事實上在極地大氣中存在一個臭氧“洞” 這種臭氧損耗現象是一種反常現象，這是否表明這一紫外線吸收層正處於全球性災難呢？通過不斷的科學研究，人們發現人類社會活動釋放的物質嚴重的破壞了臭氧層，當然這種現象還受到這一地區獨特的氣象狀態（極渦、寒冷的平流層溫度、極地平流層雲）的影響。

臭氧層離地面約為20－30公里，它形成一個地球上空的保護膜，使來自太陽的大部分紫外線不能穿過它。臭氧層可以將太陽光中99％的紫外線過濾掉，這對於地球上生命的生存十分重要，因為過量的紫外線照射會對地球和人類造成許多危害，主要有：

1) 使微生物死亡

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可見，地球上的所有生命需要有臭氧層的保護才能健康生存。

英國南極測量局的大氣科學家在南極進行了一項研究計畫， 這一研究計畫分別在地面和空中進行。球載儀器一般是檢測該儀器所行進的大氣的構成及其化學性質。陸基探測儀和星載探測儀則執行遙測任務。這些研究活動採取了國際合作方式。例如，1987年代表19個組織和四個國家的大約150名科學家和輔助人員聚會于智利的蓬塔阿雷納斯,進行了一項規模空前的研究，即機載南極臭氧實驗。這項實驗表明1987年臭氧洞大小達到歷史最大。這一發現震驚了科學界。

地球“三極”出現臭氧洞 人類賴以生存的地球周圍環繞著一層厚厚的大氣，它是由水汽、氮、氧、二氧化碳。甲 烷、臭氧等多種物質所組成。大氣中氧分子被太陽輻射光化分解後，所產生的氧原子與周圍氧分子結合，形成臭氧層。臭氧含量從10公里高度起逐漸增加，至20一50公里達到最大值， 再往上其含量逐漸減少，到50公里高度其含量就很微少了。臭氧在整個大氣中只占極小的一部分，如果將大氣中所有的臭氧集中到地表，它只是2－3毫米厚的薄薄一層。你別小看這薄 薄的一層氣體，卻承擔著保護人類生存安全的重任。科學家指出，臭氧層能吸收99%以上的 紫外線，使地球上的人類和其他生物，不致被強烈的太陽紫外線輻射所傷害，透過來的少量 紫外線具有殺菌治病作用，故人們把臭氧層稱之為地球的“保護傘”。

然而，這把人類的“保護傘”卻遭到了人類的嚴重破壞。自本世紀70年代中期以來，科 學工作者觀測發現，南極上空10—20公里高度春季的臭氧含量在逐年減少，1985年僅為正常值的60％—70％，人們稱之為“臭氧洞”。據最新公佈的衛星探測資料，南極臭氧洞的面積 已達2720萬平方公里，比整個北美洲還要大，超過了1996年觀測記錄到的歷史最大值。近年來，科學家們在北極上空發現了另一個臭氧洞，它出現在每年的2月份，其面積相當於南極 臭氧洞的三分之一。 1994年中國氣象科學研究院首次發現世界第三極一青藏高原夏季存在臭氧總值異常低值區。

由著名氣候學家周秀緩院士主持的“八五”國家自然科學基金委員會重大科研專案“中 國地區大氣臭氧變化及其對氣候環境的影響”，利用美國雨雲氣象衛星臭氧觀測資料，在對我國上空臭氧總量變化分析研究的基礎上，發現夏季在青藏高原上空存在一個明顯的大氣臭 氧總量低值區。1998年5月至10月，中日科學家聯合在拉薩對大氣臭氧總量、大氣臭氧垂直 分佈、太陽紫外線輻射、氣溶膠等進行了觀測。大量觀測資料表明，4年前衛星資料分析結 果是可靠的，拉薩地區上空臭氧總量比同緯度地區偏低11%左右。這是世界上第一次發現的中低緯度地區明顯的大氣臭氧總量異常低值區。

南極“臭氧洞”的成因目前尚無定論，其中最為令人信服的當是污染物質學說。此外還有：美國宇航局漢普頓芝利中心Callis等人提出南極臭氧層的破壞與強烈的太陽活動有關；麻省理工學院的Tung等人認為是南極存在獨特的大氣環境造成冬末春初臭氧耗竭，根據大氣動力學說，指出大量氯氟烴化合物的使用，以及南極初春沒有足夠陽光產生大量氧原子，並因此提出了不需要氧原子的迴圈機理。

通過分析我們似乎可以得出以下的主要觀點：（1）南極"臭氧洞"是在南極春季特殊的溫度和環流狀況下由極地平流層雲參與和非均相化學反應而引發產生的特殊現象。（2）極地旋渦等其他因素對氣體成分輸送的影響不是南極"臭氧洞"形成的決定因素，而只能影響臭氧洞的強度。（3）太陽週期變化通過光化學反應對南極"臭氧洞"強弱的影響可以忽略。

在近幾十年的現代化生活中，人們廣泛地使用起一些消費品，其中含有一種人工合成的化合物叫氯氟烴。比如空調、冰箱的製冷劑氟里昂(ODS)、摩絲，空氣清新劑中的噴霧劑，或者在消費品的生產過程中要使用氯氟烴，比如泡沫塑料的發泡劑。氯氟烴釋放到大氣中, 上升到高空時會分解出氯原子，自由的氯原子遇上臭氧分子之後，就會把臭氧分子分解掉。一個氯原子可以分解上萬個臭氧分子。其結果是，高空中由臭氧分子組成的臭氧層變薄, 出現空洞。

科學家們經多年研究指出，臭氧層受損與氟里昂直接有關。人類的活動，尤其是向大氣 中釋放的某些工業氣體及目前被廣泛用作製冷劑、清洗劑和發泡劑的含氯氟烴的一類化合物，對臭氧的危害較大，尤以冰箱和空調中常用的氟里昂對臭氧的破壞最烈。氯氮烴化合物自30 年代問世以來，被製冷、電子、家用化學品等廣泛採用，迄今大氣中氯氟烴含量已達2000萬 噸。這些化合物氣體被釋放到大氣中並緩慢上升至臭氧層頂部、在高能太陽紫外線輻射的轟 擊下氯氟烴分解釋放出氧原子，與臭氧發生化學反應，從而使臭氧層遭到破壞。最近美國宇航局公佈的一份觀測資料讓人吃驚，全球的臭氧含量己減少了3%。 “保護臭氧層，保護全人類。”

目前，許多國家採取有力措施，限制氯氟烴化會物的生 產使用。1985年，聯合國環境規劃署制定了《保護臭氧層維也納公約》。1987年世界各國 在加拿大蒙特利爾簽訂了《蒙特利爾議定書》，決定限制氯氟烴的使用，還將議定書簽字日 定為“國際保護臭氧層日”。 只要各國政府共同努力，“女媧補天”的美麗深化終將實現。

南極測量平流層臭氧的減少

由於人類對自然的嚴重破壞，在世界範圍內掀起了保護大氣環境的浪潮。許多國家圍繞大氣污染物的來源與歸宿，大氣化學過程中的反應機理及效應進行了大量的研究工作，促進了人類對一系列環境問題的認識，“臭氧洞”的研究促使人類更加小心地使用我們的地球資源，並清醒地認識我們所處的世界。同時臭氧洞也有一種積極的作用，除了說服國際社會相互合作以減少對環境的威脅之外，“臭氧洞”一直激勵著研究人員在新的深度和高度上研究大氣化學和大氣動力學。

每年9月16日是“國際保護臭氧日”，世界衛生組織、聯合國環境規劃署和世界氣象組織當天在日內瓦發表聯合公報指出，臭氧層被破壞對人類，尤其是兒童的健康造成了嚴重危害。

公報說，由於臭氧層變薄，人類受到紫外線的侵害越來越嚴重，而兒童是首當其衝的受害者。每年世界上因太陽紫外線的過度照射而患上黑素肉瘤和皮膚癌等疾病的人分別達300萬和13萬。這已經成為日益嚴重的公共健康問題。公報要求國際社會嚴格執行保護地球臭氧層的蒙特利爾議定書，並推出了一套預防被太陽過分照射的中小學讀物。

臭氧層被大量損耗後，吸收紫外輻射的能力大大減弱，導致到達地球表面的紫外線B明顯增加，給人類健康和生態環境帶來多方面的的危害，目前已受到人們普遍關注的主要有對人體健康、陸生植物、水生生態系統、生物化學迴圈、材料、以及對流層大氣組成和空氣品質等方面的影響。

大氣臭氧層中臭氧含量減少所導致的太陽紫外線輻射增強，將對人類的生存環境造成較大的負面效應。 研究表明，大氣中的臭氧含量每減少l％，抵達地球表面的有害紫外線將增加2%左右，皮 膚癌的發病率將增加4%左右。所以隨著高空臭氧含量的逐年減少，患皮膚癌的人數正在世界範圍逐年憎加，目前約占癌症患者的三分之一。

英國科學家認為，由於臭氧層受到破壞，英國的皮膚癌患者至少會增加15％；美國醫學專家預測，到2060年，美國的皮膚癌患考可能達 到4000萬人。此外，臭氧層遭到破壞還會損害人的免疫功能，使患白內障等疾病的人數增多。一位醫學專家說：“如果要避免地球臭氧層變薄而使皮膚免受紫外線的損害，那麼在陽光下 穿紅色衣裙是一種有效的辦法。臭氧層的破壞，也會對動植物構成嚴重威脅。一些專家認為，它會對小麥、水稻、大豆、 土豆等農作物生長發育產生有害影響，從而降低農作物產量；它還會破壞水生動植物食物鏈，危及魚蝦、浮游生物的安全。

1．對人體健康的影響

陽光紫外線UV-B的增加對人類健康有嚴重的危害作用。潛在的危險包括引發和加劇眼部疾病、皮膚癌和傳染性疾病。對有些危險如皮膚癌已有定量的評價，但其他影響如傳染病等目前仍存在很大的不確定性。

實驗證明紫外線會損傷角膜和眼晶體，如引起白內障、眼球晶體變形等。據分析，平流層臭氧減少1%，全球白內障的發病率將增加0.6-0.8%，全世界由於白內障而引起失明的人數將增加10,000 到15,000 人；如果不對紫外線的增加採取措施，從現在到2075年，UV-B輻射的增加將導致大約1800萬例白內障病例的發生。

紫外線UV-B段的增加能明顯地誘發人類常患的三種皮膚疾病。這三種皮膚疾病中，巴塞爾皮膚瘤和鱗狀皮膚瘤是非惡性的。利用動物實驗和人類流行病學的資料資料得到的最新的研究結果顯示，若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發病率將會增加26%。另外的一種惡性黑瘤是非常危險的皮膚病，科學研究也揭示了UV-B段紫外線與惡性黑瘤發病率的內在聯繫，這種危害對淺膚色的人群特別是兒童期尤其嚴重．

人體免疫系統中的一部分存在於皮膚內，使得免疫系統可直接接觸紫外線照射。動物實驗發現紫外線照射會減少人體對皮膚癌、傳染病及其他抗原體的免疫反應，進而導致對重複的外界刺激喪失免疫反應。人體研究結果也表明暴露於紫外線B中會抑制免疫反應，人體中這些對傳染性疾病的免疫反應的重要性目前還不十分清楚。但在世界上一些傳染病對人體健康影響較大的地區以及免疫功能不完善的人群中，增加的UV-B輻射對免疫反應的抑制影響相當大。

已有研究表明，長期暴露于強紫外線的輻射下，會導致細胞內的DNA 改變，人體免疫系統的機能減退，人體抵抗疾病的能力下降。這將使許多發展中國家本來就不好的健康狀況更加惡化，大量疾病的發病率和嚴重程度都會增加，尤其是包括麻疹、水痘、皰疹等病毒性疾病，瘧疾等通過皮膚傳染的寄生蟲病，肺結核和麻瘋病等細菌感染以及真菌感染疾病等。

2．對陸生植物的影響

臭氧層損耗對植物的危害的機制目前尚不如其對人體健康的影響清楚，但研究表明，在已經研究過的植物品種中，超過50%的植物有來自UV-B的負影響，比如豆類、瓜類等作物，另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的品質將會下降．
　
植物的生理和進化過程都受到UV-B輻射的影響，甚至與當前陽光中UV-B輻射的量有關。植物也具有一些緩解和修補這些影響的機制，在一定程度上可適應UV-B輻射的變化。不管怎樣，植物的生長直接受UV-B輻射的影響，不同種類的植物，甚至同一種類不同栽培品種的植物對UV-B的反應都是不一樣的。在農業生產中，就需要種植耐受UV-B輻射的品種，並同時培養新品種。對森林和草地，可能會改變物種的組成，進而影響不同生態系統的生物多樣性分佈。

UV-B帶來的間接影響，例如植物形態的改變，植物各部位生物質的分配，各發育階段的時間及二級新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大，甚至更為嚴重。這些對植物的競爭平衡、食草動物、植物致病菌和生物地球化學迴圈等都有潛在影響。這方面的研究工作尚處起步階段。

3．對水生生態系統的影響

世界上30%以上的動物蛋白質來自海洋，滿足人類的各種需求。在許多國家，尤其是發展中國家，這一百分比往往還要高。因此很有必要知道紫外輻射增加後對水生生態系統生產力的影響。

此外，海洋在與全球變暖有關的問題中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大氣中二氧化碳的一個重要去除途徑，它們對未來大氣中二氧化碳濃度的變化趨勢起著決定性的作用。海洋對CO2氣體的吸收能力降低，將導致溫室效應的加劇。

海洋浮游植物並非均勻分佈在世界各大洋中，通常高緯度地區的密度較大，熱帶和亞熱帶地區的密度要低10到100倍。除可獲取的營養物，溫度，鹽度和光外，在熱帶和亞熱帶地區普遍存在的陽光UV-B的含量過高的現象也在浮游植物的分佈中起著重要作用。

浮游植物的生長局限在光照區，即水體表層有足夠光照的區域，生物在光照區的分佈地點受到風力和波浪等作用的影響。另外，許多浮游植物也能夠自由運動以提高生產力以保證其生存。暴露于陽光UV-B下會影響浮游植物的定向分佈和移動，因而減少這些生物的存活率。

研究人員已經測定了南極地區UV-B輻射及其穿透水體的量的增加，有足夠證據證實天然浮游植物群落與臭氧的變化直接相關。對臭氧洞範圍內和臭氧洞以外地區的浮游植物生產力進行比較的結果表明，浮游植物生產力下降與臭氧減少造成的UV-B輻射增加直接有關。一項研究表明在冰川邊緣地區的生產力下降了6-12%。由於浮游生物是海洋食物鏈的基礎，浮游生物種類和數量的減少還會影響魚類和貝類生物的產量。據另一項科學研究的結果，如果平流層臭氧減少25%，浮游生物的初級生產力將下降10%，這將導致水面附近的生物減少35%。

研究發現陽光中的UV-B輻射對魚、蝦、蟹、兩棲動物和其他動物的早期發育階段都有危害作用。最嚴重的影響是繁殖力下降和幼體發育不全。即使在現有的水準下，陽光紫外線B已是限制因數。紫外線B的照射量很少量的增加就會導致消費者生物的顯著減少。

儘管已有確鑿的證據證明UV-B輻射的增加對水生生態系統是有害的，但目前還只能對其潛在危害進行粗略的估計。

4．對生物化學迴圈的影響

陽光紫外線的增加會影響陸地和水體的生物地球化學迴圈，從而改變地球--大氣這一巨系統中一些重要物質在地球各圈層中的迴圈，如溫室氣體和對化學反應具有重要作用的其他微量氣體的排放和去除過程，包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氧硫化碳（COS）及O3等。這些潛在的變化將對生物圈和大氣圈之間的相互作用產生影響。

對陸生生態系統，增加的紫外線會改變植物的生成和分解，進而改變大氣中重要氣體的吸收和釋放。當紫外線B光降解地表的落葉層時，這些生物質的降解過程被加速；而當主要作用是對生物組織的化學反應而導致埋在下面的落葉層光降解過程減慢時，降解過程被阻滯。植物的初級生產力隨著UV-B輻射的增加而減少，但對不同物種和某些作物的不同栽培品種來說影響程度是不一樣的。

在水生生態系統中陽光紫外線也有顯著的作用。這些作用直接造成UV-B對水生生態系統中碳迴圈、氮迴圈和硫迴圈的影響。UV-B對水生生態系統中碳迴圈的影響主要體現於UV-B對初級生產力的抑制。在幾個地區的研究結果表明，現有UV-B輻射的減少可使初級生產力增加，由南極臭氧洞的發生導致全球UV-B輻射增加後，水生生態系統的初級生產力受到損害。

除對初級生產力的影響外，陽光紫外輻射還會抑制海洋表層浮游細菌的生長，從而對海洋生物地球化學迴圈產生重要的潛在影響。陽光紫外線促進水中的溶解有機質（DOM）的降解，使得所吸收的紫外輻射被消耗，同時形成溶解無機碳（DIC）、CO以及可進一步礦化或被水中微生物利用的簡單有機質等。UV-B增加對水中的氮迴圈也有影響，它們不僅抑制硝化細菌的作用，而且可直接光降解象硝酸鹽這樣的簡單無機物種。UV-B對海洋中硫迴圈的影響可能會改變COS和二甲基硫（DMS）的海-氣釋放，這兩種氣體可分別在平流層和對流層中被降解為硫酸鹽氣溶膠。

5．對材料的影響

因平流層臭氧損耗導致陽光紫外輻射的增加會加速建築、噴塗、包裝及電線電纜等所用材料，尤其是高分子材料的降解和老化變質。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區，這種破壞作用更為嚴重。由於這一破壞作用造成的損失估計全球每年達到數十億美元。

無論是人工聚合物，還是天然聚合物以及其他材料都會受到不良影響。當這些材料尤其是塑膠用於一些不得不承受日光照射的場所時，只能靠加入光穩定劑或進行表面處理以保護其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會加速這些材料的光降解，從而限制了它們的使用壽命。研究結果已證實短波UV-B輻射對材料的變色和機械完整性的損失有直接的影響。

在聚合物的組成中增加現有光穩定劑的用量可能緩解上述影響，但需要滿足下面三個條件：①在陽光的照射光譜發生了變化即UV-B輻射增加後，該光穩定劑仍然有效；②該光穩定劑自身不會隨著UV-B輻射的增加被分解掉；③經濟可行。目前，利用光穩定性更好的塑膠或其他材料替代現有材料是一個正在研究中的問題。然而，這些方法無疑將增加產品的成本。而對於許多正處在用塑膠替代傳統材料階段的發展中國家來說，解決這一問題更為重要和迫切。

6． 對對流層大氣組成及空氣品質的影響

平流層臭氧的變化對對流層的影響是一個十分複雜的科學問題。一般認為平流層臭氧的減少的一個直接結果是使到達低層大氣的UV-B輻射增加。由於UV-B的高能量，這一變化將導致對流層的大氣化學更加活躍。

首先在污染地區如工業和人口稠密的城市，即氮氧化物濃度較高的地區，UV-B的增加會促進對流層臭氧和其他相關的氧化劑如過氧化氫（H2O2）等的生成，使得一些的城市地區臭氧超標率大大增加。而與這些氧化劑的直接接觸會對人體健康、陸生植物和室外材料等產生各種不良影響。在那些較偏遠的地區，即NOx的濃度較低的地區，臭氧的增加較少甚至還可能出現臭氧減少的情況。但不論是污染較嚴重的地區還是清潔地區，H2O2和OH自由基等氧化劑的濃度都會增加。其中H2O2濃度的變化可能會對酸沉降的地理分佈帶來影響，結果是污染向郊區蔓延，清潔地區的面積越來越少。

其次對流層中一些控制著大氣化學反應活性的重要微量氣體的光解速率將提高其直接的結果是導致大氣中重要自由基濃度如OH基的增加。OH自由基濃度的增加意味著整個大氣氧化能力的增強。由於OH自由基濃度的增加會使甲烷和CFC替代物如HCFCs和HFCs的濃度成比例的下降，從而對這些溫室氣體的氣候效應產生影響。

而且對流層反應活性的增加還會導致顆粒物生成的變化，例如雲的凝結核，由來自人為源和天然源的硫（如氧硫化碳和二甲基硫）的氧化和凝聚形成。儘管目前對這些過程瞭解的還不十分清楚，但平流層臭氧的減少與對流層大氣化學及氣候變化之間複雜的相互關係正逐步被揭示。