环境影响评价工程师：臭氧层破坏的原因

南极臭氧洞一经发现，立即引起了科学界和整个国际社会的关注。科学家需要探索这个问题的许多现象和特征，比如为什么南极地区会出现臭氧洞？为什么臭氧消耗的规模如此之大？为什么每年的南极臭氧洞都发生在春天？
自从南极臭氧洞被发现以来，这些涉及臭氧消耗的区域性、季节性和规模的定性和定量研究一直是科学界的热门话题。起初，对于南极臭氧洞的出现有三种不同的解释。一种认为南极臭氧洞的出现是由于对流层臭氧浓度低的空气体输送到平流层，稀释了平流层臭氧的浓度。第二种解释认为，南极臭氧洞是宇宙射线在高空形成氮氧化物的结果；此外，美国科学家Maurines和Rowland指出，一些含有氯和溴的人工合成物质是南极臭氧洞的罪魁祸首，其中最典型的是氯氟烃和哈龙。越来越多的科学证据否定了前两种观点，证实氯和溴通过平流层中的催化化学过程破坏臭氧，是南极臭氧洞的根本原因。
那么，氟利昂和哈龙是如何进入平流层并造成臭氧层破坏的呢？
我们知道，就重量而言，人工释放的氯氟化碳和哈龙的分子比空气体分子重，但这些化合物在对流层中是化学惰性的。即使是大气中最活跃的成分——自由基，对氯氟烃和哈龙的氧化作用也很小，可以完全忽略。因此，它们在对流层中非常稳定，不能通过普通的大气化学反应除去。一两年后，这些化合物会均匀分布在全球各地的对流层中，然后被主要在热带地区的大气环流带入平流层空，风将它们从低纬度地区输送到高纬度地区，在那里混合均匀。
在平流层，强烈的紫外线辐射使氯氟化碳和哈龙分子离解，释放出高活性的原子氯和溴，它们也是自由基。氯自由基和溴自由基是破坏臭氧层的主要物质。它们以催化的方式破坏臭氧:Cl+O3 →ClO+O2ClO+O →Cl+O2溴自由基在同一过程中也破坏臭氧，所以也是催化剂。据估计，一个氯原子自由基可破坏104-105个臭氧分子，而哈龙释放的溴原子自由基可破坏臭氧30-60倍于氯原子。而且氯原子自由基和溴原子自由基之间存在协同效应，即两者同时存在时，破坏臭氧的能力大于两者的简单相加。
然而，上述均相化学反应并不能解释南极臭氧洞形成的全过程。深入的科学研究表明，臭氧洞的形成是一个涉及空空气动力学过程的多相催化反应过程。非均相是指大气中除气态组分外的固相和液相组分。人们早已习惯了大气中云、雾、雨的存在，但这种现象一般发生在对流层。平流层干燥寒冷，空气体稀薄，这些天气现象在对流层很少见。然而，在冬季，南极的温度极低，可以达到零下80摄氏度。这种极端的低温导致了两个非常重要的过程。一是极地空气体因冷下沉，形成强烈的西移环流，称为“极涡”。涡旋的重要作用是将南极空气体与大气的其余部分隔离开来，从而使涡旋内部的大气成为一个巨大的反应堆。另外，虽然南极空气体非常干燥，但是极低的温度仍然使得这一地区的云形成过程。云滴的主要成分是硝酸三水合物(HNO33H2O)和冰晶，称为极地平流层云。
实际上，CFCs和哈龙进入平流层时，通常以化学惰性形式(ClONO2和HCl)存在，没有释放原子态的活性氯和溴。南极科学考察和实验室研究证明，化学惰性的ClONO2与平流层云表面的HCl会发生以下化学反应:clono 2+HCl→Cl2+HNO3 clono 2+H2O→HoCl+HNO 3，HNO 3保留在云滴相中。当云滴增长到一定程度时，会沉降到对流层中，同时HNO3也会从平流层中被带走，导致Cl2、HOCl等成分不断积累。
Cl2和HOCl是在紫外线照射下容易光解的分子，但在冬季，南极的紫外线很少，Cl2和HOCl光解的机会很小。春天到来，阳光重返南极地区，太阳辐射中的紫外线使Cl2和HOCl开始大量光解，产生前述均相催化过程所需的大量原子氯，从而造成严重的臭氧损耗。氯原子的催化过程可以解释南极观测到的臭氧破坏的70%左右，氯原子和溴原子的协同机制可以解释20%左右。然后更多的阳光到达南极，南极地区气温上升，气象条件发生变化。由此，南极涡旋逐渐消失，南极地区臭氧浓度极低的空气体被输送到地球其他高纬和中纬地区，导致全球臭氧浓度降低。
北极和南极的空气动力学和化学过程是一样的。发现每年1-2月北极地区产生北极涡，存在北极平流层云。在涡旋中，活性氯(ClO)占总氯的85%以上，测得相当于南极涡旋中活性溴(BrO)的浓度。但由于北极没有类似南极的冰川，加上气象条件的差异，北极涡旋的温度远高于南极，北极的平流层云量远少于南极，所以北极的臭氧层破坏并没有达到另一个臭氧洞的程度。
因此，南极臭氧洞的形成是一个涉及大气化学和气象变化的异质复杂过程，但其起源是地球表面人类活动产生的氟利昂和哈龙。曾经是个谜的臭氧洞，已经被科学地清晰地定量地解释了。但令科学家和社会各界担忧的是，氯氟化碳和哈龙的大气寿命很长，一旦进入大气就很难清除，这意味着它们对臭氧层的破坏将持续很长时间，臭氧层受到人类活动的巨大威胁。
为了评价各种消耗臭氧层物质破坏全球臭氧的相对能力，科学上采用了参数“臭氧消耗潜能值”(ODP)。臭氧消耗潜能值是指一种物质造成的全球臭氧损耗与该物质在大气寿命期内排放相同质量的CFC-11造成的臭氧损耗之比。在大气化学模式的计算中，一种物质X的ODP值可以表示为:ODP=单位物质X引起的全球臭氧减少量/单位质量的CFC-11引起的全球臭氧减少量。该物质的大气浓度分布和所涉及的大气化学过程是影响其ODP值的主要因素。由于对这些因素的处理方式不同，不同研究人员得出的消耗臭氧层物质的ODP值在一定程度上有所不同，但各种消耗臭氧层物质的ODP值顺序大体相同:含氢氟氯烃的ODP值远低于氟利昂，而许多哈龙对平流层的破坏能力远高于氟利昂。这些研究为决策者制定消耗臭氧层物质的消除策略和替代品提供了有力的科学依据。