臭氧洞為什么發(fā)生在南極地區(qū)?為什么臭氧損耗的規(guī)模如此之大?為什么每年的南極臭氧洞發(fā)生在春季?
目前,對(duì)于臭氧層空洞形成機(jī)制大致有三種理論解釋：①動(dòng)力氣象學(xué)上的極地緯向環(huán)流變化造成輸送至南極上空的臭氧減少,形成臭氧洞；②極地冰晶效應(yīng)影響下的多相化學(xué)反應(yīng)引起臭氧的減少,出現(xiàn)臭氧洞；③與太陽(yáng)輻射變化相關(guān)的動(dòng)力氣象因素及光化學(xué)反應(yīng)（包括人類活動(dòng)影響）綜合作用導(dǎo)致臭氧洞的形成.
美國(guó)科學(xué)家莫里納和羅蘭德提出,人工合成的一些含氯和含溴的物質(zhì)是造成南極臭氧洞的元兇,最典型的是氟氯碳化合物（CFC,俗稱氟里昂）和含溴化合物哈龍（Halon）.越來(lái)越多的科學(xué)證據(jù)證實(shí),氯和溴在平流層通過(guò)催化化學(xué)過(guò)程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因.那么,氟里昂和哈龍是怎樣進(jìn)入平流層,又是如何引起臭氧層破壞的呢?
就重量而言,人為釋放的CFC和Halon的分子都比空氣分子重,但這些化合物在對(duì)流層是化學(xué)惰性的,即使最活潑的大氣組分———自由基對(duì)CFC和Halon的氧化作用也微乎其微.因此它們?cè)趯?duì)流層十分穩(wěn)定,不能通過(guò)一般的大氣化學(xué)反應(yīng)去除.經(jīng)過(guò)一兩年的時(shí)間,這些化合物會(huì)在全球范圍內(nèi)的對(duì)流層分布均勻,然后主要在熱帶地區(qū)上空被大氣環(huán)流帶入到平流層,風(fēng)又將它們從低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)輸送,在平流層內(nèi)均勻混合.
在平流層內(nèi),強(qiáng)烈的紫外線照射使CFC和Halon分子發(fā)生解離,釋放出高活性的原子態(tài)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壞臭氧層的主要物質(zhì),它們對(duì)臭氧的破壞是以催化的方式進(jìn)行的.溴原子自由基也以同樣的過(guò)程破壞臭氧,因此也是催化劑.據(jù)估算,一個(gè)氯原子自由基可以破壞104—105個(gè)臭氧分子,而由Halon釋放的溴原子自由基對(duì)臭氧的破壞能力是氯原子的30—60倍.而且,氯原子自由基和溴原子自由基之間還存在協(xié)同作用,即二者同時(shí)存在時(shí),破壞臭氧的能力要大于二者簡(jiǎn)單的加和.
但是,上述的均相化學(xué)反應(yīng)并不能解釋南極臭氧洞形成的全部過(guò)程.深入的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),臭氧洞的形成是有空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程參與的非均相催化反應(yīng)過(guò)程.所謂非均相,是指大氣中除氣態(tài)組分外,還有固相和液相的組分.人們對(duì)大氣中存在云、霧和降雨等早已司空見(jiàn)慣,但這種現(xiàn)象一般發(fā)生在對(duì)流層.平流層干燥寒冷,空氣稀薄,較少出現(xiàn)對(duì)流層這些天氣現(xiàn)象.但在冬天,南極地區(qū)的溫度極低,可以達(dá)到零下80攝氏度,這樣極端的低溫造成兩種非常重要的過(guò)程,一是極地的空氣受冷下沉,形成一個(gè)強(qiáng)烈的西向環(huán)流,稱為“極地渦旋”.該渦旋的重要作用是使南極空氣與大氣的其余部分隔離,從而使渦旋內(nèi)部的大氣成為一個(gè)巨大的反應(yīng)器.另外,盡管南極空氣十分干燥,極低的溫度使該地區(qū)仍有成云過(guò)程,云滴的主要成分是三水合硝酸和冰晶,稱為極地平流層云.
實(shí)際上,當(dāng)CFC和Halon進(jìn)入平流層后,通常是以化學(xué)惰性的形態(tài)而存在,并無(wú)原子態(tài)的活性氯和溴的釋放.南極的科學(xué)考察和實(shí)驗(yàn)室的研究都證明,化學(xué)惰性的ClONO2和HCl在平流層云表面會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),結(jié)果造成Cl2和HOCl2組分的不斷積累.
Cl2和HOCl是在紫外線照射下極易光解的分子,但在冬天南極的紫外光極少,Cl2和HOCl的光解機(jī)會(huì)很小.當(dāng)春天來(lái)臨時(shí),陽(yáng)光返回南極地區(qū),太陽(yáng)輻射中的紫外射線使Cl2和HOCl開(kāi)始發(fā)生大量的光解,產(chǎn)生前述的均相催化過(guò)程所需的大量的原子氯,從而造成嚴(yán)重的臭氧損耗.氯原子的催化過(guò)程可以解釋所觀測(cè)到的南極臭氧破壞的約70％,另外,氯原子和溴原子的協(xié)同機(jī)制可以解釋大約20％.隨后更多的太陽(yáng)光到達(dá)南極,南極地區(qū)的溫度上升,氣象條件發(fā)生變化,結(jié)果是南極渦旋逐漸消失,南極地區(qū)臭氧濃度極低的空氣傳輸?shù)降厍虻钠渌呔暥群椭芯暥鹊貐^(qū),造成全球范圍的臭氧濃度下降.
北極也發(fā)生與南極同樣的空氣動(dòng)力學(xué)和化學(xué)過(guò)程.研究發(fā)現(xiàn),北極地區(qū)在每年的一月至二月生成北極渦旋,并發(fā)現(xiàn)有北極平流層云的存在.在渦旋內(nèi)氯基（C1O）占氯總量的85％以上,同時(shí)測(cè)到與南極渦旋內(nèi)濃度相當(dāng)?shù)匿寤˙rO）的濃度.但由于北極不存在類似南極的冰川,加上氣象條件的差異,北極渦旋的溫度遠(yuǎn)較南極高,而且北極平流層云的量也比南極少得多,因此目前北極的臭氧層破壞還沒(méi)有達(dá)到出現(xiàn)又一個(gè)臭氧洞的程度.
因此,南極臭氧洞的形成是包含大氣化學(xué)、氣象學(xué)變化的非均相的復(fù)雜過(guò)程,但其產(chǎn)生根源是地球表面人為活動(dòng)產(chǎn)生的氟里昂和哈龍,曾經(jīng)是一個(gè)謎團(tuán)的臭氧洞得到了清晰的定量的科學(xué)解釋.但是令人憂慮的是,CFC和Halon具有很長(zhǎng)的大氣壽命,一旦進(jìn)入大氣就很難去除,這意味著它們對(duì)臭氧層的破壞會(huì)持續(xù)一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程,臭氧層正受到來(lái)自人類活動(dòng)的巨大威脅.