平流层臭氧耗损课件

平流层臭氧耗损问题 大气平流层臭氧耗损及可能导致的气候和环境效应是目前人们关注的另一重大全球环境问题，尤其是近些年来南极地区平流层臭氧空洞的被发现,更增加了人们对研究臭氧的兴趣。人们已经注意到,大气中臭氧浓度变化对人类生存可能产生的冲击比原来估计的要大。平流层臭氧基本知识大气圈的分层结构,臭氧主要分布在平流层中0-50公里空气层中臭氧平均密度分布平流层臭氧浓度沿纬度的分布大气平流层臭氧的生成机制大气平流层臭氧的生成机制 近地面大气中臭氧的浓度不到 0.1 ppm.在离地面 20-50 公里高的平流层中发生下列反应形成了大气层中臭氧浓度最高的区域,即臭氧层 O2+紫外光光子O+O O2+O+MO3+M式中:O2氧分子；O氧原子；O3臭氧分子；M吸收能量的分子。臭氧层对地球系统的重要性 臭氧对太阳的紫外光辐射有强烈 的吸收作用,使到达地表的波长小于 3000 埃的紫外辐射减弱,从而保护了地 球上的生物和人。因为过量的紫外辐射能阻止细胞增长而危及生命。有关生命起源的研究指出,在地球臭氧层形成以前,整个地球受到高能紫外光的辐射,生物分子很难形成。此时,生命分子居于水下,光合作用进行得很缓慢。臭氧 层形成以后,生物有机体才有了广阔的生存空间。因此平流层的臭氧层常常被 称为“臭氧保护层”。臭氧的另一个作用是,臭氧对紫外光的吸收是平流层的主要热源。平流层臭氧浓度随高度的变化直接决定了平流层的温度结构,从而对地球气候的形成起着重要作用。南极”臭氧洞”的发现1979 年的卫星观测资料揭示了南极的“臭氧洞”现象。英国南极调查局哈利湾测站的资料表明,自 70 年代中期以来,南极地区每年的 10月份(南极极夜结束的月份)臭氧总量约减少 40%。在 1987 年,竟发现南极臭氧洞的面积差不多有美国本土那么大。南极平流层臭氧耗损情况南极臭氧洞1956-1992南极上空臭氧浓度逐年减少情况(WMO)臭氧浓度单位南极臭氧含量从1960s初期的330 Dobsons到1980s末降至130 Dobsons.在南极边缘的Halley湾从1959s 的330 Dobsons 降至不住足200 DobsonsDobson 一词是以科学家命名的对臭氧的量度单位,1 Dobson是指全球所有臭氧将其平铺于地球表面压缩至大气标准状态时的厚度(3 mm)世界其它地区上空平流层臭氧浓度变化情况1988 年美国宇航局的一项研究揭示:在北美、欧洲、中国和日本人口最稠密区的上空平流层中臭氧的浓度减少了约 3%在斯堪的那维亚和阿拉斯加上空每年冬季月份臭氧平均损失 6%。1989 年的观 测证实了在北极上空的平流层中也存在有氟氯烃化合物我国上空平流层臭氧浓度减少情况对我国上空平流层臭氧浓度变化的研究刚处于起步阶段。某些资料表明，华南地区上空平流层臭氧减少了 3.1%,华北地区减少了 1.7%,东北地区减少了 3.0%。平流层臭氧损耗的原因早在1960s 年代末,就有人提出了由于大量使用氟氯烃化合物(商品名:氟里昂)(如CFC-11和CFC-12)以及高速飞机排放的氮氧化物有可能使平流层的臭氧遭受破坏。1974年,化学家罗兰(Sherwood Roland)和莫林那(Mario Molina)从理论上揭示了人类生产的氟氯烃化合物破坏平流层臭氧的反应过程。由于氟氯烃物质的化学惰 性,它们可以无阻碍地穿越对流层,进入平流层,在太阳紫外光的照射下被激 化,分解成氯原子,形成一种对臭氧有反复破坏作用的催化剂,为此此二位科学家成为环境学界的唯一的诺贝尔化学奖获得者.氟里昂破坏臭氧的光化学反应 氟里昂光解生成Cl原子:CFCl3+紫外光分子=CF2Cl+Cl CF2Cl2+紫外光分子=CF2Cl+Cl 氯原子可以把100,000 个臭氧分子分解为氧分子 Cl+O3=ClO+O2 ClO+O=Cl+O2 在这一系列反应中,作为催化剂的氯原子（Cl）并未消耗。所以只要有少量氟里昂到达平流层,就会使臭氧大量遭受破坏。南极上空平流层臭氧浓度降低的原因据认为,每年 9 月至 11 月南极上空平流层臭氧浓度的降低,是由于这个时期存在着的冰云使氟里昂化合物的活性加强所致。耗臭氧物质的臭氧损耗潜势(ODP值)化合物化合物模式计算模式计算半经验计算半经验计算CFC-111.01.00CFC-120.820.9CFC-1130.900.9CH3CCl30.120.12HCFC-1230.040.05HCFC-1230.0140.02CH3Br0.640.57H-13011213H-12115.15耗臭氧物质的臭氧损耗潜势(ODP值)Ozone depletion potential(ODP)单位质量某化合物引起的全球臭氧减少量ODP=-单位质量CFC-11引起的全球臭氧减少量 平流层臭氧耗损对人类生存的影响 来自太阳的紫外辐射按波长分为3个区:波长为315-400 nm的紫外线称为UV-A区,此区紫外线不能被臭氧有效吸收,但也不产生对地表生物的损害波长为280-315 nm的紫外线称为UV-B区,该波段的紫外线对人体和其他生命的破坏最为严重.波长为200-280 nm的紫外线称为UV-C区,该区紫外线波长短,能量高,能被臭氧层完全吸收.臭氧层的破坏会使其吸收紫外线的能力大大减弱,导致到达地球表面的UV-B区紫外线增加.地球表面的UV-B区紫外线增加导致的后果.对人体健康的影响 潜在危险包括引发和加剧眼部疾病,皮肤癌和传染性疾病.据实验分析,如果平流层臭氧浓度减少1%,全球白内障发病率将增加0.6-0.8%,全世界由于白内障而失明的人将增加10000-15000人,从现在到2075年,UV-B辐射的增加将导致大约1 800万例百内障病例发生.长期暴露于紫外线下会导致细胞内DNA变异,使人类抵抗能力降低,使发展中国家人民健康状况恶化地球表面的UV-B区紫外线增加导致的后果.对陆生植物的影响 研究表明有50%的植物会受到UV-B区紫外线的负影响,如豆类和瓜类,土豆,番茄和甜菜的质量会下降对水生生态系统的影响 已经测定到南极地区UV-B穿透水体的量增加,使浮游植物的生产力下降对材料的影响 UV-B会加速建筑,涂料,包装及电线电缆等材料的降解和老化变质,在高温和阳光充足的热带地区这种破坏作用更为严重,可使全球每年损失达到数十亿美圆 地球表面的UV-B区紫外线增加导致的后果.对对流层大气组成和空气质量的影响 平流层臭氧减少导致到达低层大气的UV-B增加,使对流层的大气化学反应活跃,在污染地区,由于光化学作用使空气中臭氧浓度增加,对人体,陆生植物和材料等产生不良影响.UV-B增加会增加低层大气中H2O2和OH自由基的浓度,将促进酸沉降的分布区扩大和蔓延等.据美国环境保护局估计,当臭氧损耗达5%时,对美国的具体危害有下列一些:多增一般皮癌患者90万人（具损伤作用,不致死亡）。多增致死性黑色素皮癌患者3万人(目前美国每年有9000人死于此症).增加眼疾白内瘴患者牲畜眼癌的发病率。使人类的免疫系统受抑,抗各种炎症的能力急剧减弱。*玉米、大米、豆类和麦类的产量下降。在海洋食物网中起重要作用的水生植物将严重受损。对朔料和其他聚合物的降解作用加强。对流层的光化学烟雾和酸沉降将增加。加速全球增温，损害农业、森林和野生生物。国际社会保护臭氧层的行动保护臭氧层行动是近代史上全球合作的典范.自南极臭氧洞被发现以来,人类从科学研究,决策响应到付诸行动,都非常迅速.科学家很快弄清楚了臭氧层破坏的原因（两位化学家罗兰(Sherwood Roland)和莫林那(Mario Molina)为此获诺贝尔化学奖）。世界决策层在此基础上达成了保护臭氧层的全球性决议,企业界则迅速行动,淘汰破坏臭氧层物质的生产和使用,目前抑制臭氧层破坏已初见成效.国际社会保护臭氧层的对策1985年3月22日联合国环境规划署邀请28个国家于维也纳制定“保护臭氧层维也纳公约”,1988年9月22日生效.1987年9月再在加拿大的蒙特利尔会议上通过了保护臭氧层的历史性文件“蒙特利尔议定书”,规定了种种时间表,要求发展中国家在到1999年7月1日将CFCs的生产和消费冻结在1995-1997三年的平均水平上,并在2005年使CFCs的生产和消费削减到冻结水平的一半,并要求各缔约国对ODS的生产,消费,进口和出口等建立控制措施.1992年建立了蒙特利尔议定书多边基金,用以支持发展中国家逐步淘汰消耗臭氧层物质国际社会保护臭氧层的对策为进一步控制锈氧层的损耗,1990年通过了关于议定书的伦敦修正案,1992年又通过了哥本哈根修正案,再一次扩大受控物质的种类,现在世界上被禁止使用的臭氧层损耗物质包括氯氟烃,哈龙,甲基氯仿,和甲基溴等在内的22种物质,其淘汰的时间表也再一次提前(见下图).为保护臭氧层不同国际协议控制的等效氯浓度比较控制的难度尽管人类对ODS物质的步伐不断加快,但由于耗臭痒物质很难从大气中消除,即使采用哥本哈根修正案规定的时间表,平流层氯离子的浓度也要到2050年左右才能下降到临界水平以下.耗臭氧物质的ODP值物种物种模式计算模式计算半经验计算半经验计算CFC-111.01.0CFC-120.820.9CFC-1130.900.9CH3Cl30.120.12HCFC-220.040.05HCFC-1230.0140.02CH3Br0.640.57H-10311213H-12115.15我国保护臭氧层的行动1989年9月11日我国正式参加,同年12月该条约对中国生效,而且我国在第一次缔约国会议上首先提出了成立保护臭氧层多边基金的建议1990年我国积极参与蒙特利尔议定书的修正工作.1991年中国正式成为缔约国后,在国内及时成立了包括15个部,委,局,总公司等参加的中国保护臭氧层领导小组办公室,负责议定书在我国的实施,制定了有关法规,使我国保护臭氧层的工作走上正规.1992年中国制定了,1993年得到国务院和多边基金会的批准,1995年又制定了补充方案（北大环科中心积极参与了此项工作）.1995年,我国组织了对气溶胶喷雾剂,塑料发泡剂,家用冰箱,工商制冷,汽车空调,哈龙灭火剂,电子零件清洗,和受控物质生产等8个行业的淘汰受控物质的研究,在许多方面得到国际资金的资助.环境酸化过程与酸雨环境酸化全球性环境问题酸雨世界性环境问题（大区域性环境问题）环境酸化过程环境酸化过程包括自然酸化过程和被人类活动加剧的自然酸化过程，后者又被称为人为酸化过程。瑞典学者Gert Knutsson提出，土壤和地下水的酸化是由自然酸化过程和人为酸化过程所导致，包括:(1)土壤呼吸作用释放出碳酸；(2)腐殖酸的离解作用；(3)土壤中N、S化合物的氧化作用；(4)亚铁离子的氧化和水解作用；(5)植物从土壤中交换吸收盐基离子释放氢离子。环境酸化的起因(Gert Knutsson,1992)化石燃料燃烧引起大气中酸性物质(碳、氮、硫)增多;人类排放的大量易降解有机物降解产生二氧化碳;各种酸和酸性盐随矿山排水和工业废水进入环境;多余氮肥中的氨化合物被氧化;砍伐森林和收获农作物从土壤中去除盐基离子(意味着氢离子浓度增加)。酸雨环境酸化的主要表现 人类排放的NO与 SO2等气态污染物进入大气后被氧化并溶于水汽，严重时形成酸雨。目前，人们通常把pH值小于5.6的降水称为酸雨。20世纪70年代初，酸雨只是局部地区的问题，但目前酸雨已广泛地出现在北半球，成为一个人们十分关注的世界性环境问题。欧洲酸雨的发展早在19世纪中叶,在英国就层出现过酸雨,但作为正式的国际性环境问题是1972年才提上日程的.在1972年第一次联合国人类环境会议上,瑞典政府提交给大会一份研究报告.现在,酸雨与臭氧层破坏和全球气候变化已成为全球性大气环境问题中三个热点问题.最早的酸雨多发生在挪威,瑞典等北欧国家,后来扩展到东欧和中欧.在酸雨最严重的时期,挪威南部5 000个湖泊中有1 750个由于pH过低而使鱼虾绝迹.瑞典的9万个湖泊中有1/5受到酸雨侵害.20世纪80年代在斯堪的那维亚有1万个湖泊完全酸化,另1万个受酸化威胁,在中欧的德国,有1/3森林受到酸雨危害.那时欧洲的降雨酸度在pH 4.0-5.0之间.欧洲酸雨的发展从降水酸度地理分布的趋势来看，1956年的酸化中心（pH 5.04.5）出现在英格兰的东南、法国北部和波兰，三年之后中心地区变得更酸（pH下降0.5),而受影响的地区在向外扩展。至1966年酸度的增加更为明显，比利时、荷兰、卢森堡降水的平均pH值低于4。降雨的pH为4.54.0 的地区扩展很大。与此同时，原苏联和东欧国家的第二个酸化中心也在扩大，正在与中欧的酸度增加区相联结。对欧洲气团运动的研究证明，斯堪的那维亚国家降水中的硫大都由英国和中欧国家输入。欧洲的酸雨分布区斯堪的那维亚四个站点降雨的硫含量与pH值的变化挪威和瑞典若干站点降水pH值变化过程挪威和瑞典若干站点降水pH值变化过程北美酸雨的发展酸雨在美国和加拿大同样是棘手的问题.美国南部15个州降水平均pH值在4.2-4.5之间.在这些湖泊中生物无法生存酸雨已损坏了美国东部35 000个历史性建筑物和10 000座纪念碑加拿大抽样调查的8 500个湖泊已全部酸化美国酸雨分布区中国酸雨的发展自20世纪80年代以来,中国的酸雨呈加速发展趋势.在80年代,我国的酸雨主要分布在以重庆,贵阳和柳州为代表的高硫煤使用地区及长江以南部分地区,酸雨的面积约为170万平方公里,到90年代中期,酸雨已发展到青藏高原以东和四川盆地的广大地区,酸雨面积扩大了100万平方公里.以长沙,赣州,南昌,怀化为代表的华中酸雨区,中心区pH低于4.0的地区酸雨频率高达90%.北起青岛,南至厦门,以南京,上海,杭州,福州为代表的华东沿海地区年均降水pH低于5.6的地区已占全国面积的30%左右.中国降水pH值的分布酸雨的形成过程SO42-进入降水有以下途径:1.由源排放的气态SO2,经气相反应,生成H2SO4或硫酸盐气溶胶2.云形成时,含硫酸根的气溶胶粒子成为雨水的凝结核3.云滴吸收SO2,在水相中氧化成为SO42-4.云滴成为雨滴降落时挟持空气中含SO42-的气溶胶5.雨滴降落时吸收SO2,再在水相中氧化成SO42-我国酸雨与欧美酸雨的差别在国外酸雨中硫酸和硝酸之比约为2 1，而我国降水中硝酸含量不及硫酸的六分之一。这说明，我国的酸雨主要是大气中的二氧化硫造成的。这与两区能源结构的差别有关我国北方未出现酸雨的原因雨水中除含酸性物质外，还含有从空气中洗涤进来的碱性物质，如含碳酸盐的土壤扬尘、工业粉尘和天然来源的氨等。酸碱物质会发生中和反应。雨水酸度实际上是酸碱物质相平衡的结果。我国北方气候干燥，土壤多呈碱性，这些碱性土壤被风扬到空中，对雨水中的酸起中和作用。南方土壤多偏酸性，气候湿润，大气中飘尘较少，对酸的中和能力较低。这是我国北方酸雨较少和南方酸雨较多的一个重要原因。我国西南地区酸雨严重的原因我国西南地区降水酸度很高，既与该区域所使用的煤中含硫量较高有关，也与该区域的地形、气象和土壤等自然地理条件有关。西南地区煤的含硫量达5%左右，并且未经任何脱硫处理品而直接使用，因此二氧化硫的排放量很高。重庆市全年的耗煤量只及北京的三分之一，但每年排放的二氧化硫量却是北京的2倍。再加上重庆和贵阳的气象条件和地形条件也不利于污染物的扩散，故大气中二氧化硫浓度很高。而且，这个地区气温高、湿度大，有利于二氧化硫转化为三氧化硫，并进一步转化为硫酸。另外，该区域土壤亦呈酸性反应，大气中碱性物质较少。所有这些条件造成了我国西南大面积强酸性降雨区。酸雨的危害1）酸雨能使湖泊、河流等水体酸化，危害水生生物和水生生态系统。酸化的水体中鱼卵不能孵化或成长，鱼类会因此而减少甚至绝迹。在挪威南部的5000个湖泊中，1750个已经无鱼生存。美国阿迪龙达克山区至少有40个湖泊已是无鱼的“死湖”。加拿大估计，如果目前的酸雨情况再持续下去，则安大略的40000个湖泊将失去全部或大部分水生生物。2)酸雨能使土壤酸化，尤其对酸敏感性高的原酸性土壤。在土壤酸化过程中，可加速Ca、K、Mg等营养元素的淋失，使微生物固氮和分解有机质的活动受抑制，从而使土壤贫瘠化。土壤酸化后失去中和能力，有毒的Al、Cd等重金属离子从土壤或水体底泥中溶出，常伤害植物根系，或者进入江河湖泊与地下水中引起水体污染。酸雨的危害3）酸雨对森林的危害比较明显，一是直接伤害植物的叶子，二是使森林土壤酸化。20世纪70年代，瑞典森林生长率每年下降1。美国东部的森林生长率在酸雨和大气污染影响下降低了5。对我国重庆市南山地区马尾松森林的调查表明，大气中SO2的直接作用和SO2通过雨、雾对马尾松的作用是马尾松松针凋落和脱绿死亡的主要原因。但有的学者认为，大范围森林衰退和死亡不是酸雨造成的，而主要是受干旱和其它因素的影响。酸雨对农作物的直接影响尚无定论，但可能会减弱农作物的光合作用和抗病虫害的能力。农作物在某些生长阶段对酸雨较为敏感，容易受害，使产量和质量下降。酸雨的危害4）酸雨能腐蚀建筑材料，使其风化过程加速。近几十年来，一些古迹如石雕、石刻和铜塑像等的损坏超过了以往几百年甚至千年以上。尽管这种腐蚀破坏还有自然风化和其它方面的原因，但酸雨无疑是一个重要因素。大理石最容易受酸雨的损坏，因为它的主要成分是CaCO3，而CaCO3很容易与酸性物质反应生成可溶性的CaSO4和Ca(NO3)2，以及CO2。许多金属也能与硫酸和硝酸反应，使其受到腐蚀而损坏。5）酸雨对人体健康的直接影响到目前为止还没有发现，但其潜在影响不可忽视。作为饮用水源的酸化水体和酸化土壤中生长的农作物，都含有较高浓度的有毒金属。如果酸性水进入自来水网管，就能腐蚀给水设施，使金属溶出而进入饮水。这些对人体健康都有潜在的威胁。我国对酸雨和二氧化硫的控制区