化學(xué)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(yuǎn)的兩極，但其實(shí)世界各地大氣中的臭氧都已日漸稀薄。從皮膚癌到汽車?yán)涿?，臭氧洞不再只是科學(xué)家的研究對(duì)象，或是報(bào)紙上的新聞事件，而是與每個(gè)人都有切身關(guān)系的環(huán)保課題！,引言：,內(nèi) 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(guó)際性公約和相關(guān)保護(hù)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(gè)大氣泡環(huán)繞著地球 ，保護(hù)著全地球的生物。名雖為一層，但實(shí)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(gè)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(jīng)度的變化,,,南極洲上空臭氧層的厚度每年八月底-九月時(shí)明顯下降，每年十月份到達(dá)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(huì)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(nèi)部的大氣成為一個(gè)巨大的反應(yīng)器。平流層的三水硝酸(HNO3·3H2O)在-78

4、℃的條件下就會(huì)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(yīng),三水硝酸極地平流層云不僅把氯貯存物質(zhì)吸收到顆粒的界面上，并且產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，釋放氯氣。一旦9月來臨，南極春季陽光普照，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，活潑的氯氣被分解成兩個(gè)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?dú)猓∟2）等氣體為主，后來海洋中藻類大量繁殖，光合作用的結(jié)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(chǎn)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(jié)合生成臭氧；臭氧可吸收陽光而分解，也可與氧原子結(jié)合變成氧分子M為反應(yīng)第三體，它們是氮?dú)夂脱鯕夥肿覱2 + 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(gè)動(dòng)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(zhuǎn)化為熱能保護(hù)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(zhǎng)較遠(yuǎn)紅外線的波長(zhǎng)還長(zhǎng)，食物內(nèi)的分子會(huì)吸收微波而振動(dòng)，分子振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生摩擦而生熱，其熱可煮熟食物?！?. CO2 等溫室氣體分子對(duì)太陽發(fā)射的紅外線（0.78~4μm）不會(huì)吸收，但對(duì)地球發(fā)射的紅外線（4~100μm）會(huì)吸收，導(dǎo)

8、致地球的溫室效應(yīng)。,,紫外線的分類與特性,種類,特性,：太陽發(fā)射的紫外線對(duì)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(xué)家便會(huì)在南極上空觀測(cè)到臭氧層有顯著減少的現(xiàn)象，宛如破了一個(gè)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(jīng)擴(kuò)大為歐洲大陸約兩倍，引起全世界密切的關(guān)注，并召開了多次的國(guó)際性會(huì)議企圖挽救這場(chǎng)地球可能面臨的浩劫。,3.臭

9、氧層的耗損,1985年，科學(xué)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(gè)“洞”，而只是表示臭氧含量反常稀少的區(qū)域。雖然科學(xué)家已經(jīng)知道CFCs (chlorofluorocarbons，氟氯碳化

10、物)等消耗臭氧層物質(zhì)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(xué)家相信，南極臭氧洞應(yīng)是平流層化學(xué)反應(yīng)與大氣環(huán)流變化等多種因素交互作用下的結(jié)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(cè)結(jié)果，長(zhǎng)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(jiǎn)稱CFCs，它被大量使用于噴霧推進(jìn)劑和冷媒等

11、。CFCs在平流層會(huì)釋出氯原子，與平流層中的臭氧作用，促進(jìn)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(jìn)入平流層后，在紫外光的作用下，產(chǎn)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(duì)臭氧層的破壞,,CFCs對(duì)臭氧層的破壞,CFCs之所以會(huì)對(duì)臭氧層造成如此嚴(yán)重的傷害，主要關(guān)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(yīng)中再

12、生?？茖W(xué)家估計(jì)，由CFCs所釋出的1個(gè)氯原子，只要數(shù)個(gè)月的時(shí)間，就能使大約10萬個(gè)臭氧分子消失。Br原子也可引起此反應(yīng),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(yīng)用范圍極為廣泛，可作為汽和冰箱等冷凍空調(diào)的冷媒、電子和光學(xué)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(guó)家的使用量便不斷增加，主要因?yàn)镃FCs的化學(xué)性質(zhì)非常安定，不可燃且無

13、毒性，故過去一直被認(rèn)為安全又理想的化學(xué)物質(zhì)，廠商大量制造，使用者也任其擴(kuò)散至大氣中。,CFCs的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，生命期長(zhǎng)達(dá)40-150年，因此會(huì)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(dāng)有限，即使大幅降低CFCs的使用量大氣也需要一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(duì)流層中。,消耗臭氧層物質(zhì),消耗臭氧物質(zhì)[Ozone-depleting substances (ODS)]是破壞大氣層中臭氧層的物質(zhì)，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(zhì)(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(diào)系統(tǒng)維修時(shí)的泄漏在檢疫及土壤消毒時(shí)甲基溴的使用廢棄含有ODS產(chǎn)品或設(shè)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(huì)吸收紫外線(ultraviolet,UV)，尤其是對(duì)生物損害很大的“紫外線B”(UV-B)。UV-B的強(qiáng)度，會(huì)隨著時(shí)間、地點(diǎn)不同而異。通常夏季較冬季強(qiáng)，低緯度比高緯度地區(qū)強(qiáng)，而高海拔則比低海拔地區(qū)強(qiáng)。但無論如何，大氣中臭氧減少，全球各地的UV-B都會(huì)增強(qiáng)。據(jù)估計(jì)，臭氧若減少1%，UV-B大約就會(huì)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(jié)果，已使紫外線量加倍增加。,,紫外線增加對(duì)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(guān)，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(guó)相關(guān)組織的統(tǒng)計(jì)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(qiáng)烈紫外線照射下，會(huì)使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結(jié)膜充血的結(jié)膜炎，最嚴(yán)重的則是白內(nèi)障。據(jù)估計(jì)，大氣總臭氧量若減少10%，全世界將產(chǎn)生160-175萬名新白內(nèi)障患

22、者?！　〕酥?，紫外線還會(huì)破壞免疫系統(tǒng)，減弱人體對(duì)病毒和病原菌的抵抗力，使更容易罹患傳染性疾病。　　紫外線之所以會(huì)損害皮膚、眼晴及免疫系統(tǒng)，是因?yàn)樽贤饩€能破壞人體內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸，由于核酸和蛋白質(zhì)是所有生物細(xì)胞組成不可或缺的要素，因此紫外線的增加，對(duì)整個(gè)地球生態(tài)系都會(huì)有嚴(yán)重影響。,白內(nèi)障,美國(guó)馬里蘭大學(xué)曾經(jīng)針對(duì)200種農(nóng)作物進(jìn)行研究，在溫室內(nèi)觀察紫外線照射的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)約有三分之二的種類，會(huì)有生長(zhǎng)遲緩的反應(yīng)。　　 由于紫外線

23、會(huì)改變植物體內(nèi)的化學(xué)變化，因此不僅農(nóng)作物的生長(zhǎng)受到影響，與植物關(guān)系密切的昆蟲和草食動(dòng)物都將遭到波及。甚至森林中枯枝枯葉形成的腐殖質(zhì)，成分都會(huì)有所改變。 對(duì)森林和草地，可能會(huì)改變物種的組成，進(jìn)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(huì)減弱浮游植物的光合作用，使浮游植物的產(chǎn)量降低，從而使得以浮游生物為食的魚、蝦等產(chǎn)率降低，進(jìn)而影響整個(gè)食物鏈。浮游植物光合

24、作用的減弱將使得海洋對(duì)CO2氣體的吸收能力降低，從而導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇,材料,因平流層臭氧損耗導(dǎo)致陽光紫外輻射的增加會(huì)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(zhì)。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(yán)重。由于這一破壞作用造成的損失估計(jì)全球每年達(dá)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(xué)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(zhuǎn)變成為熱能，來維

25、持平流層的溫度，如果這項(xiàng)功能失調(diào)，氣候?qū)l(fā)生變動(dòng)而造成災(zāi)害。,5. 國(guó)際性公約和相關(guān)保護(hù)措施,,由于國(guó)際社會(huì)體認(rèn)到CFCs等“臭氧層破壞物質(zhì)”(ODSs, ozone-depleting substances)，已對(duì)臭氧層造成嚴(yán)重破壞，以及臭氧層對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的重要性，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署 (UNEP, the United Nations Environment Programme)遂于1985年召集世界各國(guó)共商對(duì)策，簽訂保護(hù)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(qiáng)制性。,在這個(gè)基礎(chǔ)上，1987年9月，共有27個(gè)國(guó)家簽署極具象征與實(shí)質(zhì)意義的《蒙特利爾議定書》(the Montreal Protocol)?！睹商乩麪栕h定書》強(qiáng)制規(guī)定締約國(guó)，至1990年時(shí)，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(kuò)大，削滅時(shí)程縮短，同時(shí)締約國(guó)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(guó)會(huì)議，就有超過100個(gè)國(guó)家參加，并將全面禁用CFCs的時(shí)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(guó)第二次會(huì)議，擴(kuò)大列管物質(zhì)，除原先列管之CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114、CFC-115 等五項(xiàng)及三項(xiàng)海龍外，另增加CFC-13等10種，四氯化碳及三氯乙烷，計(jì)12種化學(xué)物質(zhì)，并加速管制時(shí)

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(hù)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(guó)加入公約和議定書的時(shí)間,1989年9月 《保護(hù)臭氧層維也納公約》；1991年6月 《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議

29、定書》倫敦修正案；2003年4月 《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》哥本哈根修正案。,國(guó)際ODS淘汰形勢(shì),最成功的國(guó)際環(huán)境公約《議定書》的控制內(nèi)容與措施仍不斷發(fā)展發(fā)達(dá)國(guó)家已完成了主要ODS的淘汰中國(guó)是目前世界上最大的ODS生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)中國(guó)是得到資金最多的國(guó)家中國(guó)肩負(fù)重大的國(guó)際責(zé)任,中國(guó)人民共和國(guó)大氣污染防治法,大氣法第四十五條 國(guó)家鼓勵(lì)、支持消耗臭氧層物質(zhì)替代品的生產(chǎn)和使用，逐步減少消耗

30、臭氧層物質(zhì)的產(chǎn)量，直至停止消耗臭氧層物質(zhì)的生產(chǎn)和使用。在國(guó)家規(guī)定的期限內(nèi)，生產(chǎn)、進(jìn)口消耗臭氧層物質(zhì)的單位必須按照國(guó)務(wù)院有關(guān)行政主管部門核定的配額進(jìn)行生產(chǎn)、進(jìn)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(guó)家規(guī)定的期限內(nèi)，生產(chǎn)或者進(jìn)口消耗臭氧層物質(zhì)超過國(guó)務(wù)院有關(guān)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(guān)行政主管部門處二萬元以上二十萬元以下罰款；情節(jié)嚴(yán)重的，由國(guó)務(wù)院有關(guān)行政主管部門取消生產(chǎn)、

31、進(jìn)口配額。,隨著CFCs削減時(shí)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(guó)際知名的化學(xué)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(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)易的替代品，相信廠商都能不侍法律規(guī)定，就樂于爭(zhēng)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(duì)臭氧層的傷害，化學(xué)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