全球环境变迁导论臭氧洞与酸雨课件

全球環境變遷導論臭氧洞與酸雨 魏國彥、許晃雄 編著全球環境變遷導論臭氧洞與酸雨 魏國彥、許晃雄 編著1 1臭氧洞與酸雨n n變化中的大氣成份 n n平流層臭氧的減少 n n酸雨 n n結語 臭氧洞與酸雨變化中的大氣成份 2 2變化中的大氣成份n n大氣中99%的氣體分子是由氮(78.08%)、氧(20.95%)、氬(0.934%)組成。n n對氣候變遷及生物影響最大的反而是一些微量氣體，比如二氧化碳、水汽、甲烷、臭氧、二氧化硫、氟氯碳化物(CFC)等。變化中的大氣成份大氣中99%的氣體分子是由氮(78.08%3 3變化中的大氣成份n n自古以來，人類的活動或多或少改變了大氣成份，比如，焚燒森林、開墾田地，但是多是局部性的。n n工業革命以來，能源需求大增，人類燃燒大量的化石燃料，科學技術的發展連帶產生有害的化學物質（如氟氯碳化物），世界人口也急遽增加。這些快速的發展，遠非地球史上任何時期可以比擬。變化中的大氣成份自古以來，人類的活動或多或少改變了大氣成份，4 4平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布n n早期地球大氣主要成份為二氧化碳早期地球大氣主要成份為二氧化碳。n n頻繁的火山爆發將大量的氮及水汽噴入大氣頻繁的火山爆發將大量的氮及水汽噴入大氣，大部份的氮留在大氣之中大部份的氮留在大氣之中，水汽則凝結形成大水汽則凝結形成大片的淺海片的淺海。n n原始生物得以存活在水面之下原始生物得以存活在水面之下，避免紫外線的避免紫外線的殘害殘害，行光合作用製造氧氣行光合作用製造氧氣。n n早期大氣中的二氧化碳逐漸減少早期大氣中的二氧化碳逐漸減少，氧及臭氧則氧及臭氧則增加增加。臭氧吸收殘害生物的紫外線臭氧吸收殘害生物的紫外線，生物的生生物的生存空間得以擴展到陸地存空間得以擴展到陸地。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布5 5平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布n n大氣溫度的垂直分布大氣溫度的垂直分布，由地表附近向上遞減至由地表附近向上遞減至對流層頂對流層頂，再往上則又遞增再往上則又遞增，在高度在高度20-5020-50公公里之間里之間，形成暖空氣在上形成暖空氣在上、冷空氣在下的穩定冷空氣在下的穩定狀態狀態，對流不易發生對流不易發生，這部份大氣稱為平流層這部份大氣稱為平流層。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布6 6平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 7 7平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布臭氧的時空分布n n在平流層中在平流層中，一百萬個氣體分子大約只有一百萬個氣體分子大約只有1010個是臭氧個是臭氧分子分子。n n這些少量的氣體分子不斷的吸收對生物有害的紫外線這些少量的氣體分子不斷的吸收對生物有害的紫外線，而且與其他氣體分子不斷的作用而且與其他氣體分子不斷的作用，透過氣體分子之間透過氣體分子之間的碰撞的碰撞，臭氧分子再將所吸收的熱量傳給其他氣體分臭氧分子再將所吸收的熱量傳給其他氣體分子子，使得鄰近大氣的溫度升高使得鄰近大氣的溫度升高，平流層因此而存在平流層因此而存在。n n此一過程在高度此一過程在高度5050公里附近效率最高公里附近效率最高，造成造成20-5020-50公公里之間的平流層氣溫往上遞增的現象里之間的平流層氣溫往上遞增的現象。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布8 8平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布臭氧的時空分布n n大氣中大氣中90%90%的臭氧集中在平流層的臭氧集中在平流層。全球平均而言全球平均而言，若若以每單位體積以每單位體積（立方公分立方公分）所含分子數來算所含分子數來算，臭氧濃臭氧濃度最高的區域在度最高的區域在20-3020-30公里之間公里之間。n n在在3030公里以上公里以上，臭氧產生速率很快臭氧產生速率很快，但是破壞速率更但是破壞速率更快快；在在2020公里以下公里以下，臭氧產生速率太慢臭氧產生速率太慢，而且容易被而且容易被大氣的垂直運動傳送到對流層大氣的垂直運動傳送到對流層。n n最高值區在最高值區在20-3020-30公里之間公里之間，與平流層相比與平流層相比，對流層的對流層的臭氧濃度低了許多臭氧濃度低了許多，但是仍約佔總臭氧量的百分之十但是仍約佔總臭氧量的百分之十，因此不能完全被忽略因此不能完全被忽略。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布9 9平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布n n臭氧濃度有極明顯的季節變化臭氧濃度有極明顯的季節變化。無論在南半球無論在南半球或北半球或北半球，總臭氧的極大值皆發生在春季的中總臭氧的極大值皆發生在春季的中緯度地區緯度地區)，可達可達460DU460DU。n n總臭氧在赤道最低約只有總臭氧在赤道最低約只有240 DU240 DU，而且以而且以1-21-2月最少月最少。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布1010平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 1111平流層臭氧的減少 n n臭氧的時空分布臭氧的時空分布n n在空間上的實際分布在空間上的實際分布，仍有其區域特性仍有其區域特性。n n1 1月時月時，最多的臭氧集中在東北亞最多的臭氧集中在東北亞，該地區的南北及東該地區的南北及東西向的總臭氧梯度也很大西向的總臭氧梯度也很大。總臭氧最少的區域則在北總臭氧最少的區域則在北半球的低緯度地區半球的低緯度地區，而且東西方向的分布相當均勻而且東西方向的分布相當均勻。n n7 7月時月時，則以南太平洋上空濃度最高則以南太平洋上空濃度最高。n n總臭氧的季節變化以北半球較大總臭氧的季節變化以北半球較大。n n臭氧的產生需要太陽輻射臭氧的產生需要太陽輻射，為何總臭氧最高的區域反為何總臭氧最高的區域反而在幾乎接收不到太陽輻射的冬半球高緯度地區而在幾乎接收不到太陽輻射的冬半球高緯度地區？此此一特性與南北半球大氣環流的特性有關一特性與南北半球大氣環流的特性有關。平流層臭氧的減少 臭氧的時空分布1212平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 1313平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n波長短於波長短於100 nm 100 nm（0.1 m0.1 m；1 nm=101 nm=10-9-9 m m）的太陽輻射在高層大氣中的太陽輻射在高層大氣中（100 100 公里公里 以上以上）大大多被多被NN2 2、O O2 2、NN及及O O 吸收吸收，形成了電離層及熱形成了電離層及熱氣層氣層。平流層臭氧的減少 平流層化學1414平流層臭氧的減少 n n平流層化學n nOO2 2擅長於吸收波長小於擅長於吸收波長小於240nm 240nm 的短波輻射的短波輻射，變成兩個變成兩個O:O:n nOO2 2+h+hO+O O+O（5.15.1）n nh h（代表吸收的太陽輻射代表吸收的太陽輻射。氧原子氧原子OO不太穩定很容易不太穩定很容易透過三體碰撞再與氧分子結合成臭氧透過三體碰撞再與氧分子結合成臭氧:n nO+OO+O2 2+M+M O O3 3+M +M（5.25.2）n n其中其中MM可為任何氣體分子可為任何氣體分子(比如比如，NN2 2)，不參與化學不參與化學作用作用，卻帶走上述反應所釋放出來的熱量卻帶走上述反應所釋放出來的熱量，並透過並透過碰撞將之傳至其他氣體分子碰撞將之傳至其他氣體分子。平流層臭氧的減少 平流層化學1515平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n在這個過程中在這個過程中，熱量立即被帶走熱量立即被帶走，臭氧無法利臭氧無法利用這些熱量再度分解成用這些熱量再度分解成OO及及OO2 2。n n一次的化學反應一次的化學反應（5.15.1）加上二次的化學反應加上二次的化學反應（5.25.2）產生的淨效應產生的淨效應，為將三個氧分子轉換成為將三個氧分子轉換成二個臭氧分子二個臭氧分子。在在100100公里至公里至5050公里之間公里之間，波波長長100-200 nm100-200 nm的短波輻射的短波輻射，大部份被大部份被OO2 2吸收吸收。平流層臭氧的減少 平流層化學1616平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n到了臭氧濃度較高之處到了臭氧濃度較高之處，只剩下波長大於只剩下波長大於200nm200nm的短波輻射的短波輻射，剩下的紫外線部份剩下的紫外線部份，則大則大都被臭氧吸收都被臭氧吸收，產生光解反應產生光解反應（photodissociation reactionphotodissociation reaction）：）：n nOO3 3+h +h O O2 2+O+O（5.35.3）n n化學反應化學反應（5.15.1）及及（5.25.2）使得大氣中使得大氣中OO2 2含量含量降低降低，但是但是OO2 2含量一直保持不變含量一直保持不變，顯然有其他顯然有其他化學反應過程產生化學反應過程產生OO2 2，才能達成目前的穩定平才能達成目前的穩定平衡狀態衡狀態。平流層臭氧的減少 平流層化學1717平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n牛津大學的牛津大學的Sidney Chapman Sidney Chapman 在在19301930年提出反年提出反應式應式（5.35.3）及下列反應式及下列反應式，解釋解釋OO2 2的再循環過的再循環過程程：n nO+OO+O3 3 2O 2O2 2(5.4)(5.4)n n反應式反應式（5.35.3）及及（5.45.4）的淨效應為將的淨效應為將2 2個臭氧個臭氧分子轉換成分子轉換成3 3個氧分子個氧分子，以及能量的吸收以及能量的吸收。平流層臭氧的減少 平流層化學1818平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n化學反應化學反應（5.15.1）及及（5.25.2）產生臭氧產生臭氧，化學反應化學反應（5.35.3）及及（5.45.4）則破壞臭氧則破壞臭氧。類似的循環在平類似的循環在平流層中不斷進行流層中不斷進行，據估計只需一小時就可將平據估計只需一小時就可將平流層的所有臭氧汰舊換新流層的所有臭氧汰舊換新。平流層臭氧的減少 平流層化學1919平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n其他的科學家發現下列催化循環其他的科學家發現下列催化循環(catalytic(catalytic cycle)cycle)也可使臭氧轉換成氧分子也可使臭氧轉換成氧分子:n nX+OX+O3 3 XO+O XO+O2 2 （5.55.5）n nOO3 3+h+h O+O O+O2 2 （5.65.6）n nO+XO O+XO X+O X+O2 2 （5.75.7）n n此催化循環的淨效應也是將此催化循環的淨效應也是將2 2 個臭氧分子轉化個臭氧分子轉化成成3 3個氧分子個氧分子，以及能量的吸收以及能量的吸收。其中的其中的X X及及XOXO代表自由基代表自由基（free radicalfree radical），），譬如譬如 HOx HOx，NOx NOx 以及以及ClOxClOx。平流層臭氧的減少 平流層化學2020平流層臭氧的減少 n n平流層化學平流層化學n n平流層中的氧原子十分活躍平流層中的氧原子十分活躍，容易與其他氣體分子起容易與其他氣體分子起作用產生作用產生HOxHOx及及 NOx NOx，如如：n nHH2 2O+O O+O 2HO 2HO（5.85.8）n nNN2 2O+O O+O 2NO 2NO（5.95.9）n n平流層中水汽雖然不多平流層中水汽雖然不多，但已足夠與但已足夠與OO作用產生作用產生HOHO來來引發一連串的催化反應引發一連串的催化反應。n n氧化亞氮氧化亞氮（NN2 2OO）則產生自土壤及海洋的微生物過程則產生自土壤及海洋的微生物過程，在對流層中非常穩定在對流層中非常穩定，但是一進到平流層但是一進到平流層，就可能與就可能與氧原子作用形成氧原子作用形成NONO。HOHO、NO NO 等自由基一旦產生等自由基一旦產生，就可經由就可經由（5.55.5）-（5.75.7）催化反應催化反應，將臭氧轉化將臭氧轉化（破壞破壞）成氧分子成氧分子。平流層臭氧的減少 平流層化學2121平流層臭氧的減少 n n平流層化學平流層化學n n第三種催化循環與從第三種催化循環與從CHCH3 3ClCl釋出的氯原子有關釋出的氯原子有關。90%90%的的CHCH3 3ClCl在對流層就消失了在對流層就消失了，剩下的剩下的CHCH3 3ClCl則進入平流層則進入平流層與與HO HO 作用釋出作用釋出ClCl：n nCHCH3 3Cl+HO Cl+HO Cl+Cl+其他其他（5.105.10）n n上述反應是經過數個步驟之後的結果上述反應是經過數個步驟之後的結果。ClCl充當充當（5.55.5）-（5.75.7）式中的自由基式中的自由基X X，引發催化循環引發催化循環。n n上述三種催化循環在平流層不斷的破壞臭氧上述三種催化循環在平流層不斷的破壞臭氧，製造氧製造氧，吸收短波輻射吸收短波輻射，使平流層達到化學平衡狀態使平流層達到化學平衡狀態、溫度隨溫度隨高度增加高度增加，並且吸收了對生物有害的紫外線並且吸收了對生物有害的紫外線。平流層臭氧的減少 平流層化學2222平流層臭氧的減少 n n平流層化學n n但是但是，如果自由基濃度增加如果自由基濃度增加，必將加速破壞臭必將加速破壞臭氧的速率氧的速率，使得臭氧濃度下降使得臭氧濃度下降，平流層對紫外平流層對紫外線的吸收量也將因此減少線的吸收量也將因此減少。平流層臭氧的減少 平流層化學2323平流層臭氧的減少 n n大氣的傳送大氣的傳送n n我們發現我們發現1 1月份總臭氧最多區域是北半球高緯地區月份總臭氧最多區域是北半球高緯地區，赤赤道地區反而比較少道地區反而比較少。n n如果臭氧濃度分布只是與光化反應有關如果臭氧濃度分布只是與光化反應有關，那麼低緯度那麼低緯度地區的濃度應該比高緯度地區為高地區的濃度應該比高緯度地區為高。n n但是但是，情形剛好相反情形剛好相反，必定有其他因素影響臭氧的分必定有其他因素影響臭氧的分布布。n n大氣環流除了傳送能量也傳送各種微量物質大氣環流除了傳送能量也傳送各種微量物質，如水汽如水汽、臭氧臭氧、氧化亞氮氧化亞氮、甲烷甲烷，甚至核爆所產生的輻射物質甚至核爆所產生的輻射物質。n n六六、七十年代七十年代，科學家發現在北半球高緯地區核子試爆產生的科學家發現在北半球高緯地區核子試爆產生的輻射物質輻射物質，經由大氣傳送經由大氣傳送，在幾個月之後在幾個月之後，可在南半球高緯地可在南半球高緯地區量測到區量測到。大氣環流顯然扮演了長程傳送的角色大氣環流顯然扮演了長程傳送的角色。平流層臭氧的減少 大氣的傳送2424平流層臭氧的減少 n n大氣的傳送大氣的傳送n n科學家研究大氣環流的傳送過程科學家研究大氣環流的傳送過程，發現它的傳送路徑發現它的傳送路徑：n n 在低緯度地區往上傳送在低緯度地區往上傳送，到了平流層則由夏半球往冬到了平流層則由夏半球往冬半球傳送至冬半球中高緯度地區半球傳送至冬半球中高緯度地區，再往下傳送再往下傳送。n n在中氣層的傳送路徑則是由夏季極區往冬季極區傳送在中氣層的傳送路徑則是由夏季極區往冬季極區傳送的單胞結構的單胞結構，其傳送路徑更長其傳送路徑更長。n n傳送路徑也受到季節的影響傳送路徑也受到季節的影響：春春/秋季時秋季時，傳送路徑宛傳送路徑宛如二個哈德理胞如二個哈德理胞，南北半球各一南北半球各一；冬冬/夏季時夏季時，二胞結二胞結構不再南北對稱構不再南北對稱，而是由夏半球往冬半球的傳送較明而是由夏半球往冬半球的傳送較明顯顯，夏半球的傳送則侷限於夏半球本身以及對流層之夏半球的傳送則侷限於夏半球本身以及對流層之中中。平流層臭氧的減少 大氣的傳送2525平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 2626平流層臭氧的減少 n n大氣的傳送大氣的傳送n n北半球冬季中高緯度地區臭氧的源地在低緯度地區甚北半球冬季中高緯度地區臭氧的源地在低緯度地區甚至南半球至南半球，在那裏有足夠的短波輻射產生及破壞臭氧在那裏有足夠的短波輻射產生及破壞臭氧，部份臭氧則由赤道的高平流層被傳送到中高緯地區的部份臭氧則由赤道的高平流層被傳送到中高緯地區的低平流層低平流層，使中高緯地區臭氧含量增加使中高緯地區臭氧含量增加。n n冬季的中高緯地區冬季的中高緯地區，短波輻射弱短波輻射弱，臭氧的生命期較長臭氧的生命期較長，亦即不易行光解反應亦即不易行光解反應，分解成氧原子及氧分子分解成氧原子及氧分子。因此因此，冬季的中高緯地區低平流層的臭氧濃度較高冬季的中高緯地區低平流層的臭氧濃度較高，連帶使連帶使總臭氧變大總臭氧變大。n n大氣環流不斷傳送臭氧大氣環流不斷傳送臭氧，使得冬半球中高緯度地區的使得冬半球中高緯度地區的臭氧濃度不斷增加臭氧濃度不斷增加，直到春天太陽輻射逐漸增強直到春天太陽輻射逐漸增強，破破壞臭氧的速率變快壞臭氧的速率變快，臭氧濃度才逐漸減少臭氧濃度才逐漸減少。平流層臭氧的減少 大氣的傳送2727平流層臭氧的減少 n n臭氧洞臭氧洞n n19851985年年，英國學者英國學者Joseph FarmanJoseph Farman等人發現等人發現，自自19701970年以來年以來，9-109-10月南極上空的臭氧濃度逐年迅速地下降月南極上空的臭氧濃度逐年迅速地下降，由於臭氧的減少會增加對流層紫外線的入射量由於臭氧的減少會增加對流層紫外線的入射量。n n在此之前在此之前，美國太空總署的衛星已經連續幾年監測臭美國太空總署的衛星已經連續幾年監測臭氧濃度氧濃度，卻因為系統的瑕疵卻因為系統的瑕疵，將低臭氧濃度值當成錯將低臭氧濃度值當成錯誤的資料誤的資料，作了人為的調整作了人為的調整，因而沒有發現到此一現因而沒有發現到此一現象象。一旦將該瑕疵修正一旦將該瑕疵修正，衛星資枓驗證了南極臭氧急衛星資枓驗證了南極臭氧急遽下降的現象遽下降的現象，更發現涵蓋面積極廣而且逐年擴大更發現涵蓋面積極廣而且逐年擴大。觀測發現觀測發現，臭氧濃度的減少主要發生在臭氧濃度的減少主要發生在10-2010-20公里之間公里之間，也就是原本濃度較高之處也就是原本濃度較高之處。平流層臭氧的減少 臭氧洞2828平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 2929平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n南極上空的臭濃度原本就有明顯的季節變化南極上空的臭濃度原本就有明顯的季節變化。冬季時冬季時，由於臭氧生命期較長由於臭氧生命期較長，被大氣環流從被大氣環流從低緯度地區傳送到高緯度地區低緯度地區傳送到高緯度地區，聚集在南極上聚集在南極上空的環流渦旋之內空的環流渦旋之內，不易與渦旋外臭氧濃度較不易與渦旋外臭氧濃度較低的大氣混合低的大氣混合，因而維持高濃度因而維持高濃度。到了春季到了春季，短波輻射的入射量迅速增加短波輻射的入射量迅速增加，臭氧為光解反應臭氧為光解反應所破壞所破壞，濃度因此下降濃度因此下降。平流層臭氧的減少 臭氧洞3030平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n但從但從19701970年中期至今年中期至今，南極的春季南極的春季（9-109-10月月）臭氧濃度逐年下降的現象已不止是季節變化的臭氧濃度逐年下降的現象已不止是季節變化的問題問題。幾十年來幾十年來，英國的英國的Antarctica British Antarctica British SurveySurvey一直在南極一直在南極Halley BayHalley Bay測量臭氧濃度測量臭氧濃度，他們的資料顯示他們的資料顯示Halley BayHalley Bay上空的每年上空的每年1010月總月總臭氧在臭氧在19601960年代約為年代約為310DU310DU，在在19701970年代迅年代迅速下降速下降，到了到了19941994年只剩下年只剩下130 DU130 DU。光是光是19791979年至年至19901990年的年的1212年間年間，總臭氧就減少了總臭氧就減少了50%50%。平流層臭氧的減少 臭氧洞3131平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 3232平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n總臭氧大量減少的地區通稱為臭氧洞總臭氧大量減少的地區通稱為臭氧洞(ozone(ozone hole)hole)。此一名詞誤導了大眾的認知此一名詞誤導了大眾的認知。一般以一般以為大氣中有一個破洞為大氣中有一個破洞，事實上事實上，只是臭氧濃度只是臭氧濃度減少減少，無所謂無所謂洞洞的存在的存在。n n 所謂臭氧洞的面積由所謂臭氧洞的面積由19851985年的約年的約13001300萬平方萬平方公里公里（相當於南極洲的大小相當於南極洲的大小）擴大到擴大到19941994年的年的23002300萬平方公里萬平方公里（略小於北美洲的面積略小於北美洲的面積）。）。平流層臭氧的減少 臭氧洞3333平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 3434平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n經過多年的研究經過多年的研究，大氣化學家發現與氟氯碳化大氣化學家發現與氟氯碳化物釋出的氯物釋出的氯（ClCl）及氧化氯及氧化氯（ClOClO）破壞臭氧破壞臭氧有關有關。氟氯碳化物是人造的化學物質氟氯碳化物是人造的化學物質，通常作通常作為冷卻劑及噴霧器中的推進氣體為冷卻劑及噴霧器中的推進氣體。氟氯碳化物氟氯碳化物在對流層中相當穩定在對流層中相當穩定，但是一進入低平流層但是一進入低平流層（如如，20-25km20-25km），），就可吸收波長小於就可吸收波長小於260nm260nm的短波輻射的短波輻射，釋出釋出ClCl及及ClOClO，如如:n nCFClCFCl3 3+h+h CO CO2 2+HF+3Cl +HF+3Cl 或或 3ClO(5.11)3ClO(5.11)平流層臭氧的減少 臭氧洞3535平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n nClCl及及ClOClO可充當催化劑可充當催化劑，引發破壞臭氧的催化反引發破壞臭氧的催化反應應。除氟氯碳化物外除氟氯碳化物外，火山爆發火山爆發、海草及生質海草及生質燃燒燃燒（biomass burningbiomass burning）也會產生氯也會產生氯，但是其但是其含量大約只有由含量大約只有由CFCCFC釋出的氯濃度的釋出的氯濃度的1/51/5。n n 上述的化學反應由上述的化學反應由Mario Molina Mario Molina 與與Sherwood Sherwood RowlandRowland於於19741974年提出年提出。由於該研究對了解臭由於該研究對了解臭氧洞的形成有極大的貢獻氧洞的形成有極大的貢獻，他們二人與他們二人與Paul Paul CrutzenCrutzen獲得獲得19951995年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎。平流層臭氧的減少 臭氧洞3636平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n除非在特殊環境除非在特殊環境，前述的催化反應前述的催化反應，並不會一並不會一直運作下去直運作下去，因為因為HOHO，ClOClO等自由基會與等自由基會與NONO2 2反應反應:n nHO+NOHO+NO2 2 HNO HNO3 3（5.125.12）n nClO+NOClO+NO2 2 ClONO ClONO2 2（5.135.13）n n一旦形成一旦形成HNOHNO3 3或或ClONOClONO2 2，活性極高的活性極高的HOHO與與ClOClO就暫存在就暫存在HNOHNO3 3與與ClONOClONO2 2之中之中，無法引發無法引發催化反應催化反應。HNOHNO3 3與與ClONOClONO2 2因此被稱為儲存分因此被稱為儲存分子子（reservoir moleculesreservoir molecules）。）。平流層臭氧的減少 臭氧洞3737平流層臭氧的減少 n n臭氧洞臭氧洞n n但是在冰面上但是在冰面上，ClONOClONO2 2與與HClHCl反應則會釋出氯氣及產反應則會釋出氯氣及產生固態之生固態之HNOHNO3 3：n nClONOClONO2 2+HCl +HCl Cl Cl2 2（gasgas）+HNO+HNO3 3（iceice）（）（5.145.14）n n氯氣進一步吸收波長小於氯氣進一步吸收波長小於450nm450nm的短波輻射的短波輻射，產生氯產生氯原子原子:n nClCl2 2+h +h 2Cl 2Cl（5.155.15）n n反應式反應式（5.145.14）在氣態下也可發生在氣態下也可發生，但極其緩慢但極其緩慢，在冰在冰面上面上ClONOClONO2 2與與HClHCl的作用則十分快速的作用則十分快速。因此因此，只有在只有在環境溫度極低的情況下環境溫度極低的情況下，由氟氯碳化物釋出的由氟氯碳化物釋出的ClCl及及ClOClO才能進行高效率的催化反應才能進行高效率的催化反應，破壞臭氧破壞臭氧。平流層臭氧的減少 臭氧洞3838平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n南極的平流層溫度多在南極的平流層溫度多在-80-80以下以下，即使水汽即使水汽含量很低含量很低，也能達到飽和形成極區平流層冰雲也能達到飽和形成極區平流層冰雲（polar stratospheric cloud,PSCpolar stratospheric cloud,PSC），），使得反使得反應應（5.145.14）能快速進行能快速進行。這樣的低溫條件在世這樣的低溫條件在世界其他地區不易形成界其他地區不易形成。n n另一個因素則與大氣環流有關另一個因素則與大氣環流有關。南北向的垂直南北向的垂直環流將氟氯碳化物等環流將氟氯碳化物等，從北半球傳送進南極渦從北半球傳送進南極渦旋旋。此一傳送在冬季效率最高此一傳送在冬季效率最高，而且因為缺乏而且因為缺乏太陽輻射太陽輻射，破壞臭氧的化學反應不會發生破壞臭氧的化學反應不會發生。平流層臭氧的減少 臭氧洞3939平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n南極上空的渦旋遠比北極的渦旋強南極上空的渦旋遠比北極的渦旋強，其內部的其內部的空氣比較不容易與外界空氣混合空氣比較不容易與外界空氣混合。這些因素使這些因素使得南極上空的溫度較低得南極上空的溫度較低，以及破壞臭氧的微量以及破壞臭氧的微量氣體氣體（如如，ClOClO）逐漸累積逐漸累積。n n一到春天一到春天，太陽輻射增強而平流層氣溫仍舊相太陽輻射增強而平流層氣溫仍舊相當低當低，破壞臭氧的化學反應就可快速進行破壞臭氧的化學反應就可快速進行，產產生臭氧洞生臭氧洞。平流層臭氧的減少 臭氧洞4040平流層臭氧的減少 n n臭氧洞n n北極的氣象因素不像南極那般獨特北極的氣象因素不像南極那般獨特，因此雖然因此雖然也有形成臭氧洞的跡象也有形成臭氧洞的跡象，但尚不如南極那般嚴但尚不如南極那般嚴重重。n n有趣的是有趣的是，大部份的氟氯碳化物在北半球中緯大部份的氟氯碳化物在北半球中緯度地區釋出度地區釋出，但是影響最大的地區卻是南極但是影響最大的地區卻是南極。大氣環流的長程傳送是主要因素之一大氣環流的長程傳送是主要因素之一。平流層臭氧的減少 臭氧洞4141平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 4242平流層臭氧的減少 n n平流層臭氧減少的影響平流層臭氧減少的影響n n紫外線對生物有害紫外線對生物有害，所幸在太陽輻穿越大氣層的過程所幸在太陽輻穿越大氣層的過程中中，大多為氣體吸收大多為氣體吸收。n n譬如譬如，波長小波長小250 nm250 nm的遠紫外線的遠紫外線（far ultravioletfar ultraviolet）在在高度高度3030公里以上就已經被氧分子吸收公里以上就已經被氧分子吸收。n n波長在波長在250-290 nm250-290 nm之間之間、對生物為害極大的對生物為害極大的UV-C UV-C（ultraviolet Cultraviolet C）則在悉數為臭氧層吸收臭氧層也吸收則在悉數為臭氧層吸收臭氧層也吸收n n波長波長290-320 nm290-320 nm的的UV-BUV-B，唯吸收並不完全唯吸收並不完全，仍有部仍有部份波長較長的份波長較長的UV-BUV-B到達地表到達地表。n n至於波長在至於波長在320-380 nm320-380 nm之間的之間的UV-AUV-A則完全未被吸收則完全未被吸收，全數到達地面全數到達地面。平流層臭氧的減少 平流層臭氧減少的影響4343平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 4444平流層臭氧的減少 n n平流層臭氧減少的影響平流層臭氧減少的影響n n適度的曝曬紫外線有助於人體製造維他命適度的曝曬紫外線有助於人體製造維他命D D，而且人體可以迅速的而且人體可以迅速的修補被紫外線破壞的少數細胞修補被紫外線破壞的少數細胞；但是過量的曝曬則對人體有害但是過量的曝曬則對人體有害。n nDNADNA對紫外線的敏感度在對紫外線的敏感度在320-300nm320-300nm之間迅速升高之間迅速升高。n nUV-CUV-C完全被大氣吸收完全被大氣吸收，因此不會危害地表附近的生物因此不會危害地表附近的生物，但是穿透但是穿透大氣到達地面的少數大氣到達地面的少數UV-BUV-B則對生物有害則對生物有害。n n對人類而言對人類而言，UV-BUV-B輻射量增加容易導致皮膚癌輻射量增加容易導致皮膚癌（尤其是淺膚色的尤其是淺膚色的人種人種）、）、白內障白內障，以及破壞免疫系統以及破壞免疫系統。n n平流層臭氧的減少平流層臭氧的減少，意味著較少的意味著較少的UV-BUV-B在平流層被吸收在平流層被吸收，使得地使得地表的表的UV-BUV-B輻射增強輻射增強。專家估計專家估計，臭氧層濃度降低臭氧層濃度降低1%1%，海平面的海平面的UV-BUV-B增加約增加約2%2%；平流層臭氧若減少平流層臭氧若減少10%10%，皮膚癌發生率昇高皮膚癌發生率昇高50%90%50%90%。平流層臭氧的減少 平流層臭氧減少的影響4545平流層臭氧的減少 平流層臭氧的減少 4646平流層臭氧的減少 n n平流層臭氧減少的影響平流層臭氧減少的影響n n以往對以往對UV-AUV-A的認知的認知，大多以為大多以為UV-AUV-A對人體無影響對人體無影響。n n太陽燈的輻射線就是以太陽燈的輻射線就是以UV-AUV-A為主為主，因為因為UV-AUV-A可使膚可使膚色變成古銅色色變成古銅色。目前的防曬油也多只能過濾目前的防曬油也多只能過濾UV-BUV-B，對對UV-AUV-A則無任何防禦作用則無任何防禦作用。n n最近有研究顯示最近有研究顯示，曝曬曝曬UV-AUV-A會增加罹患黑腫瘤的機率會增加罹患黑腫瘤的機率。如果屬實如果屬實，人們可能誤以為防曬油已具足夠的防禦作人們可能誤以為防曬油已具足夠的防禦作用用，放心的大作日光浴放心的大作日光浴，反而因此增加曝曬反而因此增加曝曬UV-AUV-A的時的時間以及罹患黑腫瘤的機率間以及罹患黑腫瘤的機率。平流層臭氧的減少 平流層臭氧減少的影響4747平流層臭氧的減少 n n平流層臭氧減少的影響平流層臭氧減少的影響n n爬虫類的卵因受爬虫類的卵因受UV-BUV-B照射照射，孵出的健康幼虫減少孵出的健康幼虫減少，可能因此滅種可能因此滅種，更可能因此影響到食物鏈更可能因此影響到食物鏈，以及區域的生態平衡以及區域的生態平衡。n n對植物的影響為樹葉面積減小對植物的影響為樹葉面積減小、幼苗變短幼苗變短，以及減緩光合作用以及減緩光合作用。n n最近研究顯示最近研究顯示，如果平流層臭氧含量減少如果平流層臭氧含量減少25%25%，黃豆收成將減少黃豆收成將減少50%50%。n n水中的浮游生物對水中的浮游生物對UV-BUV-B極其敏感極其敏感。如果如果UV-BUV-B增加增加，浮游生物勢浮游生物勢必存活在水面下更深之處必存活在水面下更深之處。n n可吸收的可見光也減少可吸收的可見光也減少，減緩了光合作用減緩了光合作用，浮游生物的存活量也浮游生物的存活量也將減少將減少。浮游生物是水中食物鏈的最底層浮游生物是水中食物鏈的最底層，一旦減少一旦減少，勢必牽動勢必牽動整個食物鏈整個食物鏈，造成生態系的改變造成生態系的改變。平流層臭氧的減少 平流層臭氧減少的影響4848酸雨 n n酸雨的化學酸雨的化學n n酸度是以氫離子酸度是以氫離子（HH+）的濃度為指標的濃度為指標，亦即所謂的亦即所謂的pHpH值值。代表酸度的代表酸度的 pH pH值由值由0 0到到1414，值越小酸度越高值越小酸度越高，值值越大酸度越低越大酸度越低（或鹼度越高或鹼度越高）。）。n n pH pH 值是對數值是對數，因此因此pH 5 pH 5 溶液的酸度是溶液的酸度是pH 6 pH 6 溶液的酸溶液的酸度的度的1010倍倍，是是pH 8 pH 8 溶液的酸度的溶液的酸度的10001000倍倍。n n純水的酸度為純水的酸度為7 7，代表中性代表中性，亦即水中的亦即水中的H+H+及及OH-OH-濃濃度一樣度一樣。n n常見不同流體的常見不同流體的pHpH值值：牛奶為牛奶為7 7，番茄汁略大於番茄汁略大於4 4，檸檸檬汁為檬汁為2 2，電池溶液則為電池溶液則為1 1。酸雨 酸雨的化學4949酸雨 酸雨 5050酸雨 n n酸雨的化學n n一般雨水的酸度是一般雨水的酸度是pH5.6pH5.6。這是因為空氣中的這是因為空氣中的二氧化碳溶於水二氧化碳溶於水，分離出氫原子分離出氫原子HH+:n nCOCO2 2（氣體氣體）+H+H2 2OOCOCO2 2.H.H2 2OO（水溶液水溶液）（5.165.16）n nCOCO2 2.H.H2 2OO（水溶液水溶液）HH+HCO+HCO2 2-（5.175.17）n nHCOHCO3 3-=H=H+CO+CO3 32-2-（5.185.18）酸雨 酸雨的化學5151酸雨 n n酸雨的化學n n人類燃燒化石燃料產生的人類燃燒化石燃料產生的SOSO2 2及及NONO2 2，經過化經過化學反應後也將水中的學反應後也將水中的HH+釋出釋出，提高雨水的酸度提高雨水的酸度。以二氧化硫而言以二氧化硫而言，它先溶於水它先溶於水，再引發一系列再引發一系列反應反應：n nSOSO2 2+H+H2 2O O H H+HSO+HSO3 3-（5.195.19）n nHSOHSO3 3-+H+H2 2OO2 2 HSO HSO4 4-+H+H2 2OO（5.205.20）n nHSOHSO3 3-+O+O3 3 HSO HSO4 4-+O+O2 2（5.215.21）n nHSOHSO4 4-H H+SO+SO4 42-2-（5.225.22）酸雨 酸雨的化學5252酸雨 n n酸雨的化學n n二氧化氮的溶解性較低二氧化氮的溶解性較低，必須先與必須先與HOHO作用作用，轉換成轉換成HNOHNO3 3，再將再將HH+釋出釋出:n nNONO2 2+HO+M +HO+M HNO HNO3 3+M+M（5.235.23）n nHNOHNO3 3（氣體氣體）水滴水滴 HNO HNO3 3（水溶液水溶液）（5.245.24）n nHNOHNO3 3 （水溶液水溶液）H H+NO+NO3 3-（5.255.25）n n由於由於SOSO2 2及及NONO2 2，受污染的雨水受污染的雨水、雲滴雲滴、霧的霧的pHpH值值，大都低於大都低於5.65.6。洛杉磯的霧的酸度曾經洛杉磯的霧的酸度曾經高達高達pH1.7pH1.7。酸雨 酸雨的化學5353酸雨 n n酸雨的分布酸雨的分布n n空氣污染物空氣污染物（如如，NOxNOx，SOSO2 2）排入大氣後排入大氣後，有一部有一部份受重力牽引在源頭附近就已掉落地面份受重力牽引在源頭附近就已掉落地面，但有一部份但有一部份則進入較高處被大氣環流帶走則進入較高處被大氣環流帶走，傳送至其他地區傳送至其他地區，形形成酸雨成酸雨，對生態對生態、環境造成影響環境造成影響。n n早期的影響大多發生在源頭附近早期的影響大多發生在源頭附近，但是在但是在19601960，19701970年代為了解決當地的空氣污染問題年代為了解決當地的空氣污染問題，許多國家採取高許多國家採取高煙囪政策煙囪政策，將煙囪加高將煙囪加高（曾有煙囪高達曾有煙囪高達400400公尺公尺）在較在較高處排放污染物高處排放污染物。n n這個方法解決了當地的空氣污染問題這個方法解決了當地的空氣污染問題，但是排入高處但是排入高處的污染物並未就此散去的污染物並未就此散去，只是被較大尺度的大氣環流只是被較大尺度的大氣環流傳送到比較遠的地方傳送到比較遠的地方，污染其他國家或地區污染其他國家或地區。酸雨 酸雨的分布5454酸雨 酸雨 5555酸雨 n n酸雨的分布酸雨的分布n n污染物的長程傳送污染物的長程傳送（long range transportlong range transport）可達數百可達數百公里之遠公里之遠。比如比如，造成美國東岸及加拿大酸雨的污染造成美國東岸及加拿大酸雨的污染物物，有一大部份來自有一大部份來自Ohio river valleyOhio river valley的重工業區的重工業區;北北歐的酸雨則多是由來自英歐的酸雨則多是由來自英、德德、法等國的污染物造成法等國的污染物造成的的。n n北極地區的霾北極地區的霾，在冬季時常因由美洲及歐洲傳送來的在冬季時常因由美洲及歐洲傳送來的污染物而酸化污染物而酸化。加上極地地表溫度很低加上極地地表溫度很低，逆溫逆溫（溫度溫度隨高度增加隨高度增加）情況很普遍情況很普遍。在此種大氣極端穩定的情在此種大氣極端穩定的情況下況下，空氣污染及連帶的影響相當嚴重空氣污染及連帶的影響相當嚴重。夏季的情況夏季的情況則好了許多則好了許多。依據估計依據估計，冬季北極圈內空氣的硫酸鹽冬季北極圈內空氣的硫酸鹽含量是夏季的含量是夏季的2020至至3030倍倍。降水及雪的酸度在夏季約為降水及雪的酸度在夏季約為5.65.6，但冬季則在但冬季則在4.9-5.24.9-5.2之間之間。酸雨 酸雨的分布5656酸雨 n n酸雨的分布n n酸雨問題與二氧化碳的影響相比酸雨問題與二氧化碳的影響相比，仍是一局部仍是一局部區域問題區域問題，大多仍是發生在源頭附近大多仍是發生在源頭附近（以全球以全球尺度而言尺度而言）。）。n n低低pHpH值地區多在工業發達的國家附近值地區多在工業發達的國家附近，如北美如北美東岸東岸、西歐及東北亞西歐及東北亞。其分布與硫酸鹽懸浮微其分布與硫酸鹽懸浮微粒含量的分布大致類似粒含量的分布大致類似，因為它們的來源是一因為它們的來源是一樣的樣的。酸雨 酸雨的分布5757酸雨 酸雨 5858酸雨 n n酸雨的影響酸雨的影響n n它對生態系統比較脆弱的地區影響較大它對生態系統比較脆弱的地區影響較大，譬如譬如，北歐北歐及北美及北美，這些地區的土壤及水體處理酸性物質的能力這些地區的土壤及水體處理酸性物質的能力較低較低。n n上述地區的湖泊自從工業革命以來都有明顯酸化的情上述地區的湖泊自從工業革命以來都有明顯酸化的情形形。除了酸化之外除了酸化之外，這些湖泊中的鈣這些湖泊中的鈣、鎂含量明顯降鎂含量明顯降低低，硫酸鹽含量則上昇硫酸鹽含量則上昇。n n酸雨進入土壤之後酸雨進入土壤之後，經過化學作用經過化學作用，將土壤中的金屬將土壤中的金屬釋出釋出，隨著河水流入湖泊隨著河水流入湖泊，使湖水的金屬含量上昇使湖水的金屬含量上昇。這些作用都可能殘害水中生物這些作用都可能殘害水中生物，改變生態系統改變生態系統。n n研究指出在歐洲及北美湖水研究指出在歐洲及北美湖水pHpH值小於值小於5 5的湖泊中有的湖泊中有50%50%沒有任何魚類沒有任何魚類，這些湖泊被形容為死湖這些湖泊被形容為死湖。酸雨 酸雨的影響5959酸雨 n n酸雨的影響n n酸雨對建築及汽車的損害酸雨對建築及汽車的損害，尤其是對利用大理尤其是對利用大理石石、石灰岩建成的歷史建築及雕像石灰岩建成的歷史建築及雕像。n n比如比如，石灰岩中含鈣及鎂的碳化物石灰岩中含鈣及鎂的碳化物，與雨水中與雨水中的硫酸作用形成硫酸鹽溶於水的硫酸作用形成硫酸鹽溶於水，而漸漸從石灰而漸漸從石灰岩中被岩中被洗洗出來出來。當水分蒸發之後當水分蒸發之後，含鈣或含鈣或鎂的硫酸鹽在建築物或雕像表面結晶鎂的硫酸鹽在建築物或雕像表面結晶，最後造最後造成龜裂成龜裂，表面斑駁表面斑駁，使下層的石灰岩暴露出來使下層的石灰岩暴露出來，受酸雨的侵襲受酸雨的侵襲。世界上許多歷史古蹟因此受到世界上許多歷史古蹟因此受到極快速的破壞極快速的破壞。酸雨 酸雨的影響6060酸雨 n n酸雨的影響n n土壤中因酸雨釋出的金屬也可能為植物吸收造土壤中因酸雨釋出的金屬也可能為植物吸收造成影響成影響。土壤中植物生長所需的養份土壤中植物生長所需的養份，如鈣如鈣、鎂鎂，也可能因酸雨而減少也可能因酸雨而減少，影響植物的生長影響植物的生長。這些可能性雖然存在這些可能性雖然存在，但是問題極其複雜但是問題極其複雜，譬譬如如，某些金屬某些金屬（如如，鐵鐵）的釋出反而有助於植的釋出反而有助於植物的生長物的生長。因此因此，酸雨對植物酸雨對植物、農作物農作物、森林森林的確實影響仍不清楚的確實影響仍不清楚。酸雨 酸雨的影響6161結語 n n人類的污染不僅可能加強溫室效應，也破壞臭氧層，導致酸雨的發生。n n在科技層面上，平流層臭氧減少、酸雨的問題比溫室氣體的問題容易解決。這是因為氟氯碳化物、硫酸鹽懸浮微粒等污染物在大氣中的生命其較短，只要嚴格管制，短期內就會有效果。結語 人類的污染不僅可能加強溫室效應，也破壞臭氧層，導致酸6262結語n n平流層臭氧減少的事實震驚全世界平流層臭氧減少的事實震驚全世界。n n為了保護臭氧層為了保護臭氧層，世界各國於世界各國於19871987年簽訂蒙特樓年簽訂蒙特樓協定協定，預計在預計在20002000年將氟氯碳化物的生產量降低年將氟氯碳化物的生產量降低百分之五十百分之五十。n n19901990年倫敦會議與年倫敦會議與19921992年的哥本哈根會議中年的哥本哈根會議中，與與會各國又做了更嚴格的限制會各國又做了更嚴格的限制，希望儘速改善平流希望儘速改善平流層臭氧日益減少的問題層臭氧日益減少的問題。n n專家估計專家估計，如果依據哥本哈根會議的決議如果依據哥本哈根會議的決議，在二在二十世紀末十世紀末，大氣中危害臭氧的微量氣體濃度將達大氣中危害臭氧的微量氣體濃度將達到最高點到最高點。之後之後，臭氧層將逐漸復原臭氧層將逐漸復原，但是仍要但是仍要等到約等到約20502050年年，才能完全恢復舊觀才能完全恢復舊觀。結語平流層臭氧減少的事實震驚全世界。6363結語n n酸雨的問題應該更容易解決酸雨的問題應該更容易解決，因為污染物在大氣中停留的因為污染物在大氣中停留的時間約只有一星期時間約只有一星期。n n自從自從19701970年代工業先進國家開始改善二氧化硫的排放以來年代工業先進國家開始改善二氧化硫的排放以來，這些國家的二氧化硫排放量已經大幅降低這些國家的二氧化硫排放量已經大幅降低。n n然而然而，全球排放量卻仍持續上升全球排放量卻仍持續上升。這是因為這是因為，開發中國家開發中國家的經濟迅速發展的經濟迅速發展，化石燃料使用量大增化石燃料使用量大增，而且在廢氣處理而且在廢氣處理方面的投資不夠多方面的投資不夠多。n n如果不做任何管制如果不做任何管制，到了到了20202020年年，開發中國家的二氧化開發中國家的二氧化硫排放量將大幅增加硫排放量將大幅增加。n n由此可見由此可見，污染物管制的主要問題不在於科學技術層面污染物管制的主要問題不在於科學技術層面，而是牽涉到人與人而是牽涉到人與人、國與國間經濟及政治利益的衝突國與國間經濟及政治利益的衝突。結語酸雨的問題應該更容易解決，因為污染物在大氣中停留的時間約6464結語結語6565