化學與環(huán)境——4臭氧層的耗損

1、臭氧層的耗損,雖然臭氧洞出現(xiàn)的地方是在遙遠的兩極，但其實世界各地大氣中的臭氧都已日漸稀薄。從皮膚癌到汽車冷媒，臭氧洞不再只是科學家的研究對象，或是報紙上的新聞事件，而是與每個人都有切身關系的環(huán)保課題！,引言：,內 容,1. 什么是臭氧？2. 臭氧層的形成3. 臭氧層的耗損4. 臭氧層耗損后的危害5. 國際性公約和相關保護措施,1. 什么是臭氧,臭氧分子 O3,臭氧分子,氧分子,氧原子,臭氧是無色、有毒、有刺激味的氣體,臭氧層存

2、在于平流層中，象個大氣泡環(huán)繞著地球 ，保護著全地球的生物。名雖為一層，但實際上臭氧分布各地并不均勻，而且大氣中臭氧的總含量非常少，尚不到1ppm。將地球上臭氧壓縮至1個大氣壓，其厚度僅3mm。,臭氧層的分布,臭氧層的分布,臭氧層在距離地球25Km的高處厚度最厚。在回歸線之間（赤道附近）最薄，越往兩極越厚。采用 Dobson units (DU,多布森單位)為衡量單位回歸線處的厚度~260 DU,1DU==10-3cm,at STP

3、 - (0℃ and 1 atmos press).,隨高度的變化,臭氧層的變化,隨季節(jié)的變化,隨緯度、經度的變化,,,南極洲上空臭氧層的厚度每年八月底-九月時明顯下降，每年十月份到達最低值。,在南極的6月，極夜的冬季來臨，沒有太陽加熱，氣溫常會下降至-80℃左右。極地的空氣受冷下沉，形成 “極地渦旋”，使南極空氣與大氣的其余部分隔離，從而使渦旋內部的大氣成為一個巨大的反應器。平流層的三水硝酸(HNO3·3H2O)在-78

4、℃的條件下就會包圍住直徑約0.1微米的硫酸微粒，形成極地平流層云。,極地平流層云表面的反應,三水硝酸極地平流層云不僅把氯貯存物質吸收到顆粒的界面上，并且產生化學反應，釋放氯氣。一旦9月來臨，南極春季陽光普照，在短短幾個小時內，活潑的氯氣被分解成兩個氯原子，迅速破壞臭氧層。,2.臭氧層的形成,早期地球大氣層的氣體，主要是以二氧化碳（CO2）、水氣（H2O）、氮氣（N2）等氣體為主，后來海洋中藻類大量繁殖，光合作用的結果使得大氣中的氧氣（O

5、2）開始增多，氧氣受到紫外線的照射產生臭氧（O3）。,,,,,Ozone (O3),氧分子在紫外線的作用下生成臭氧,,UV,O,O,O,O,O,O,O,,,O,臭氧層的形成,氧分子吸收紫外線并分解形成氧原子；氧原子與氧分子結合生成臭氧；臭氧可吸收陽光而分解，也可與氧原子結合變成氧分子M為反應第三體，它們是氮氣和氧氣分子O2 + Hv →2OO2 + O + M → O3 + MO3 + Hv → O2 +OO3 + O

6、 → 2O2,臭氧的形成與消失,Step 1紫外線使氧分子分解成氧原子,Step 2氧原子與氧分子形成了臭氧,Step 31.臭氧與氧原子形成 氧分子2.紫外線使臭氧又分解 成氧原子及氧分子,臭氧層的平衡（蓄水庫原理）,臭氧的形成與分解處于一個動態(tài)的平衡。,臭氧層的作用,陸地上一直到四億多年前有了臭氧層后，蘚苔、蕨類、昆蟲、兩生類、爬蟲類等生物才陸續(xù)出現(xiàn)在陸地上，讓大地生命開始蓬勃發(fā)展起來。加熱作用　　吸收

7、紫外線轉化為熱能保護作用 　吸收300nm以下的紫外線，主要是一部分中波UV-B（280－315nm)和全部短波UV-C(<280nm),,紅外線的分類與特性,種類,特性,：1.微波爐發(fā)射的微波，其波長較遠紅外線的波長還長，食物內的分子會吸收微波而振動，分子振動會產生摩擦而生熱，其熱可煮熟食物?！?. CO2 等溫室氣體分子對太陽發(fā)射的紅外線（0.78~4μm）不會吸收，但對地球發(fā)射的紅外線（4~100μm）會吸收，導

8、致地球的溫室效應。,,紫外線的分類與特性,種類,特性,：太陽發(fā)射的紫外線對人造成傷害最大的是UV-B，不是UV-A，也不是UV-C。,從1970年代開始，南半球每逢春季，科學家便會在南極上空觀測到臭氧層有顯著減少的現(xiàn)象，宛如破了一個大洞，因此稱為”臭氧洞”。 此臭氧洞一年一年的增大，直至1995年南極上空的臭氧洞面積已經擴大為歐洲大陸約兩倍，引起全世界密切的關注，并召開了多次的國際性會議企圖挽救這場地球可能面臨的浩劫。,3.臭

9、氧層的耗損,1985年，科學家發(fā)現(xiàn)南極上空的臭氧濃度有減少的現(xiàn)象，尤其是每年十月更是明顯，臭氧濃度只有正常濃度的四分之一左右。,從人造衛(wèi)星所拍攝的圖片顯示，南極上空臭氧濃度減少，此即俗稱的“臭氧洞”。,南極郝利灣每年十月的臭氧層總厚度,Halley Bay, Antarctica,南極郝利灣,臭氧層空洞并不是指真正有個“洞”，而只是表示臭氧含量反常稀少的區(qū)域。雖然科學家已經知道CFCs (chlorofluorocarbons，氟氯碳化

10、物)等消耗臭氧層物質的排放是造成臭氧洞的主要原因，但是由于南極地區(qū)特殊的氣候型態(tài)，使科學家相信，南極臭氧洞應是平流層化學反應與大氣環(huán)流變化等多種因素交互作用下的結果。,然而，不僅是南極，北極上空和青藏高原等地，都已形成類似臭氧洞的現(xiàn)象。尤有甚者，根據(jù)世界各地地面站和人造衛(wèi)星的觀測結果，長期以來，全球除熱帶地區(qū)之外的大部分區(qū)域，平流層臭氧都有稀薄化的傾向。,破壞臭氧層的元兇,主要是氟氯碳化物，簡稱CFCs，它被大量使用于噴霧推進劑和冷媒等

11、。CFCs在平流層會釋出氯原子，與平流層中的臭氧作用，促進臭氧分解成氧氣分子，因而減少了臭氧量，形成“臭氧洞”。另外，汽車尾氣中的氮氧化物等化合物進入平流層后，在紫外光的作用下，產生NO，也可作為催化劑持續(xù)不斷地破壞臭氧，造成臭氧含量的下降。,含氮氧化物對臭氧層的破壞,,CFCs對臭氧層的破壞,CFCs之所以會對臭氧層造成如此嚴重的傷害，主要關鍵就在其所釋放的“氯原子”(Cl)。氯原子一方面能夠不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應中再

12、生?？茖W家估計，由CFCs所釋出的1個氯原子，只要數(shù)個月的時間，就能使大約10萬個臭氧分子消失。Br原子也可引起此反應,氟氯碳化物(CFCs)，顧名思義，即是含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的化合物。CFCs的應用范圍極為廣泛，可作為汽和冰箱等冷凍空調的冷媒、電子和光學組件的清洗溶劑、化妝品等噴霧劑、發(fā)泡劑等等。,從1930年代合成初期開始，CFCs在全球各工業(yè)國家的使用量便不斷增加，主要因為CFCs的化學性質非常安定，不可燃且無

13、毒性，故過去一直被認為安全又理想的化學物質，廠商大量制造，使用者也任其擴散至大氣中。,CFCs的化學性質非常穩(wěn)定，生命期長達40-150年，因此會在大氣中不斷累積，最后將上升至平流層，在平流層紫外線照射下分解臭氧。平流層所能接納的氯相當有限，即使大幅降低CFCs的使用量大氣也需要一段相當長的時間，才能減緩臭氧的分解。在CFCs未受管制之前，全世界每年都要排放大約一百萬噸以上的CFCs，而這些管制前就被排放到大氣中，總重量約在2000萬

14、噸的CFCs，目前大部分仍留在對流層中。,消耗臭氧層物質,消耗臭氧物質[Ozone-depleting substances (ODS)]是破壞大氣層中臭氧層的物質，主要是氯氟烴（CFCs）、哈龍（Halon）、四氯化碳、甲基氯仿、溴甲烷等它們破壞臭氧的能力稱為“臭氧耗減潛能值”[Ozone Depleting Potential (ODP)],消耗臭氧物質(ODS)及臭氧耗減潛能值(ODP),ODP氯氟烴Chlorofluor

15、ocarbons (CFCs)　0.6-1.0哈龍 Halon　 3.0-10.0四氯化碳　Carbon tetrachloride(CTC)　1.1甲基氯仿　Methyl chloroform (TCA) 0.1含氫氯氟烴　Hydrofluorocarbons (HCFCs)　 0.001-0.11含氫溴氟烴 Hydrobromofluorocarbons (HBF

16、Cs) 0.02-1.0溴氯甲烷　Bromochloromethane　 0.12甲基溴　Methyl Bromide(MBr)　 0.6,部分CFCs,CFC-11 (CCl3F) 1.0CFC-12 (CCl2F2) 1.0 CFC-113 (C2F3Cl3) 0.8CFC-114 (C2F

17、4Cl2) 1.0CFC-115 (C2F5Cl) 0.6CFC-13 (CF3Cl) 1.0,部分HCFCs,HCFC-22 (CHF2Cl) 0.055 MonochlorodifluoromethaneHCFC-141b (C2H3FCl2) 0.01 Dichlorofluoroethane

18、HCFC-123 (C2HF3Cl2) 0.02-0.06 DichlorotrifluoroethaneHCFC-124 (C2HF4Cl) 0.02-0.04 Monochlorotetrafluoroethane,其它ODS,Halon 1211 (CF2ClBr) 3.0Halon 1301 (CF3Br) 10.0

19、三氯乙烷 0.1甲基溴Methyl Bromide (CH3Br) CTC四氯化碳CCl4 1.1,大氣中ODS的來源,清洗劑、油漆、滅火劑、氣霧罐等直接噴射制冷和空調系統(tǒng)維修時的泄漏在檢疫及土壤消毒時甲基溴的使用廢棄含有ODS產品或設備如發(fā)泡劑和制冷劑的泄漏制冷劑在循環(huán)過程中的泄漏,4. 臭氧層耗損后的

20、危害,平流層的臭氧層會吸收紫外線(ultraviolet,UV)，尤其是對生物損害很大的“紫外線B”(UV-B)。UV-B的強度，會隨著時間、地點不同而異。通常夏季較冬季強，低緯度比高緯度地區(qū)強，而高海拔則比低海拔地區(qū)強。但無論如何，大氣中臭氧減少，全球各地的UV-B都會增強。據(jù)估計，臭氧若減少1%，UV-B大約就會增加2%；而在出現(xiàn)臭氧洞的南極地區(qū)，臭氧大量減少的結果，已使紫外線量加倍增加。,,紫外線增加對人類健康所造成的危害，以皮

21、膚癌最為人熟知，而且為害最廣。皮膚癌的罹患率與人種和緯度有關，一般以白種人的罹患率最高，居住地區(qū)則愈近赤道罹患率愈高。,根據(jù)聯(lián)合國相關組織的統(tǒng)計資料顯示：大氣總臭氧量若減少10%，皮膚癌的罹患率將增加26%，且每年全世界將新增加30萬名以上的皮膚癌患者。,皮膚癌,眼晴在強烈紫外線照射下，會使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結膜充血的結膜炎，最嚴重的則是白內障。據(jù)估計，大氣總臭氧量若減少10%，全世界將產生160-175萬名新白內障患

22、者?！　〕酥?，紫外線還會破壞免疫系統(tǒng)，減弱人體對病毒和病原菌的抵抗力，使更容易罹患傳染性疾病?！　∽贤饩€之所以會損害皮膚、眼晴及免疫系統(tǒng)，是因為紫外線能破壞人體內的蛋白質和核酸，由于核酸和蛋白質是所有生物細胞組成不可或缺的要素，因此紫外線的增加，對整個地球生態(tài)系都會有嚴重影響。,白內障,美國馬里蘭大學曾經針對200種農作物進行研究，在溫室內觀察紫外線照射的影響，結果發(fā)現(xiàn)約有三分之二的種類，會有生長遲緩的反應?！　?由于紫外線

23、會改變植物體內的化學變化，因此不僅農作物的生長受到影響，與植物關系密切的昆蟲和草食動物都將遭到波及。甚至森林中枯枝枯葉形成的腐殖質，成分都會有所改變。 對森林和草地，可能會改變物種的組成，進而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布。,地球生態(tài),海洋生態(tài),海洋生態(tài)系統(tǒng)中的淺海浮游生物將受到致命的影響，臭氧的減少會減弱浮游植物的光合作用，使浮游植物的產量降低，從而使得以浮游生物為食的魚、蝦等產率降低，進而影響整個食物鏈。浮游植物光合

24、作用的減弱將使得海洋對CO2氣體的吸收能力降低，從而導致溫室效應的加劇,材料,因平流層臭氧損耗導致陽光紫外輻射的增加會加速建筑、噴涂、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(qū)，這種破壞作用更為嚴重。由于這一破壞作用造成的損失估計全球每年達到數(shù)十億美元。,空氣和氣候,另外，紫外光一旦接近地球表面，光化學煙霧的現(xiàn)象也可能惡化。由於臭氧層的另外一種功能是要將吸收的紫外光轉變成為熱能，來維

25、持平流層的溫度，如果這項功能失調，氣候將發(fā)生變動而造成災害。,5. 國際性公約和相關保護措施,,由于國際社會體認到CFCs等“臭氧層破壞物質”(ODSs, ozone-depleting substances)，已對臭氧層造成嚴重破壞，以及臭氧層對地球生態(tài)環(huán)境的重要性，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 (UNEP, the United Nations Environment Programme)遂于1985年召集世界各國共商對策，簽訂保護臭氧層的《

26、維也納協(xié)議》(the Vienna Convention)，但《維也納協(xié)議》并不具強制性。,在這個基礎上，1987年9月，共有27個國家簽署極具象征與實質意義的《蒙特利爾議定書》(the Montreal Protocol)?！睹商乩麪栕h定書》強制規(guī)定締約國，至1990年時，CFCs的使用量必須降至1986年使用量的50%?！　≈?，《蒙特利爾議定書》的管制措施便不斷修訂，管制范圍擴大，削滅時程縮短，同時締約國的數(shù)目也不斷增加。19

27、92年11月23~25日，于丹麥哥本哈根舉行的蒙特婁議定書第4次締約國會議，就有超過100個國家參加，并將全面禁用CFCs的時間提前至1996年1月1日。,蒙特利爾議定書倫敦修訂案,1990年6月在倫敦召開之蒙特利爾議定書締約國第二次會議，擴大列管物質，除原先列管之CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114、CFC-115 等五項及三項海龍外，另增加CFC-13等10種，四氯化碳及三氯乙烷，計12種化學物質，并加速管制時

28、程，提前于2000年完全禁用氟氯碳化物、海龍及四氯化碳。,保護臭氧層的公約和議定書,1985年 1987年 1990年,的(倫敦修正案)1992年,的(哥本哈根修正案)1997年,的(蒙特利爾修正案)1999年,的(北京修正案),,中國加入公約和議定書的時間,1989年9月 《保護臭氧層維也納公約》；1991年6月 《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議

29、定書》倫敦修正案；2003年4月 《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》哥本哈根修正案。,國際ODS淘汰形勢,最成功的國際環(huán)境公約《議定書》的控制內容與措施仍不斷發(fā)展發(fā)達國家已完成了主要ODS的淘汰中國是目前世界上最大的ODS生產國和消費國中國是得到資金最多的國家中國肩負重大的國際責任,中國人民共和國大氣污染防治法,大氣法第四十五條 國家鼓勵、支持消耗臭氧層物質替代品的生產和使用，逐步減少消耗

30、臭氧層物質的產量，直至停止消耗臭氧層物質的生產和使用。在國家規(guī)定的期限內，生產、進口消耗臭氧層物質的單位必須按照國務院有關行政主管部門核定的配額進行生產、進口 。大氣法第五十九條 違反本法第四十五條第二款規(guī)定，在國家規(guī)定的期限內，生產或者進口消耗臭氧層物質超過國務院有關行政主管部門核定配額的，由所在地省、自治區(qū)、直轄市人民政府有關行政主管部門處二萬元以上二十萬元以下罰款；情節(jié)嚴重的，由國務院有關行政主管部門取消生產、

31、進口配額。,隨著CFCs削減時程的提前，使得CFCs替代品的研發(fā)工作愈益蓬勃。目前，許多國際知名的化學公司，如杜邦(Du Pont) 等，都積極投入替代品之開發(fā)；如NEC, SONY等各大公司也都相繼宣布將停用CFCs。如果未來能研發(fā)出價格低廉，轉換簡易的替代品，相信廠商都能不侍法律規(guī)定，就樂于爭相淘汰CFCs。,主要措施：積極研發(fā)CFCs替代品,為了減少氟氯碳化物對臭氧層的傷害，化學家合成兩類氟氯碳化物的替代品，一為不含氯的氫氟碳化物