题目

为什么臭氧层空洞在南极上空?
详细解释原因

提问时间：2020-10-11

答案

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?
目前,对于臭氧层空洞形成机制大致有三种理论解释：①动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少,形成臭氧洞；②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少,出现臭氧洞；③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧洞的形成.
美国科学家莫里纳和罗兰德提出,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,最典型的是氟氯碳化合物（CFC,俗称氟里昂）和含溴化合物哈龙（Halon）.越来越多的科学证据证实,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,氟里昂和哈龙是怎样进入平流层,又是如何引起臭氧层破坏的呢?
就重量而言,人为释放的CFC和Halon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CFC和 Halon的氧化作用也微乎其微.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,在平流层内均匀混合.
在平流层内,强烈的紫外线照射使CFC和Halon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.溴原子自由基也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 104—105个臭氧分子,而由Halon释放的溴原子自由基对臭氧的破坏能力是氯原子的30—60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”.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和冰晶,称为极地平流层云.
实际上,当CFC和Halon进入平流层后,通常是以化学惰性的形态而存在,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化学反应,结果造成Cl2和HOCl2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.在涡旋内氯基（C1O）占氯总量的85％以上,同时测到与南极涡旋内浓度相当的溴基（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.但是令人忧虑的是,CFC和Halon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.