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臭氧的（簡介，平衡，消耗）
Release Time：2021-09-14臭氧的簡介
臭氧 (O3) 是一種相對不穩定的分子，由三個氧 (O) 原子組成。雖然它只占大氣的一小部分，但臭氧對地球上的生命至關重要。根據臭氧所在的位置，它可以保護或傷害地球上的生命。大多數臭氧存在于平流層（我們上方 10 至 40 公里之間的大氣層），在那里它充當保護地球表面免受太陽有害紫外線輻射的屏障。隨著這種屏障的減弱，我們將更容易患皮膚癌、白內障和免疫系統受損。在對流層（距地表約 10 公里的大氣層）中更靠近地球，臭氧是一種有害污染物，會對肺組織和植物造成損害。大氣中“好”平流層和“壞”對流層臭氧的數量取決于產生臭氧的過程和破壞臭氧的過程之間的平衡。臭氧平衡的紊亂會對地球上的生命產生嚴重的后果，因為科學家們正在尋找證據表明臭氧水平正在發生變化——我們呼吸的空氣中“壞”的對流層臭氧正在增加，而“好的”平流層臭氧正在減少。
臭氧的平衡
在平流層，臭氧主要由紫外線輻射產生。當高能紫外線照射普通氧分子 (O2) 時，它們會將分子分裂成兩個單獨的氧原子，稱為原子氧。一個游離的氧原子然后與另一個氧分子結合形成一個臭氧分子。我們的大氣中有太多的氧氣，以至于這些高能紫外線在平流層中完全被吸收了。臭氧非常有價值，因為它可以吸收一系列紫外線能量。當臭氧分子甚至吸收低能量的紫外線輻射時，它就會分裂成一個普通的氧分子和一個游離的氧原子。通常這個游離氧原子會迅速與一個氧分子重新結合形成另一個臭氧分子。由于這種“臭氧-氧氣循環”，有害的紫外線輻射不斷轉化為熱量。“臭氧-氧氣循環”以外的自然反應也會影響平流層中臭氧的濃度。由于臭氧和游離氧原子極不穩定，它們很容易與地球大氣中天然存在的氮、氫、氯和溴化合物（從陸地和海洋來源釋放）發生反應。例如，單個氯原子可以將臭氧轉化為氧分子，這種臭氧損失平衡了高能紫外線撞擊氧分子所產生的臭氧。除了自然臭氧平衡之外，科學家們還發現臭氧水平會定期變化，這是定期自然循環的一部分，例如季節變化、風和長時間尺度的太陽變化。此外，火山爆發可能會將物質注入平流層，從而導致臭氧破壞加劇。
在地球的整個生命周期中，自然過程調節了平流層中臭氧的平衡。理解臭氧平衡的一個簡單方法是考慮一個漏桶。只要水以與漏水相同的速度倒入桶中，桶中的水量或水位將保持不變。同樣，只要臭氧以與其被破壞的速度相同的速度產生，臭氧的總量就會保持不變。然而，從 1970 年代初開始，科學家們發現了人類活動正在破壞臭氧平衡的證據。人類對氯氟烴 (CFC) 等含氯化學品的生產增加了破壞臭氧的額外因素。CFC 是由氯、氟和碳結合而成的化合物。因為它們是極其穩定的分子，所以 CFC 不容易與低層大氣中的其他化學物質發生反應。可以分解 CFC 分子的少數力量之一是紫外線輻射。在低層大氣中，臭氧層本身可以保護 CFC 免受紫外線輻射。因此，CFC 分子能夠完整地向上遷移到平流層。盡管 CFC 分子比空氣重，但氣流和大氣的混合過程將它們帶入平流層。一旦進入平流層，CFC 分子就不再受到臭氧層的紫外線輻射的保護。在太陽紫外線能量的轟擊下，CFC 分子分解并釋放出氯原子。游離氯原子然后與臭氧分子反應，帶走一個氧原子形成一氧化氯，留下一個普通的氧分子。
如果一個 CFC 分子釋放的每個氯原子只破壞一個臭氧分子，那么 CFC 對臭氧層的威脅就很小。然而，當一氧化氯分子遇到一個游離的氧原子時，氧原子會分解一氧化氯，竊取氧原子并將氯原子釋放回平流層以破壞更多的臭氧。這種反應一遍又一遍地發生，讓單個氯原子充當催化劑，破壞許多臭氧分子。幸運的是，氯原子不會永遠留在平流層中。當游離氯原子與甲烷 (CH4) 等氣體發生反應時，它會結合成一個氯化氫 (HCl) 分子，該分子可以從平流層向下攜帶到對流層，在那里它可以被雨水沖走。因此，如果人類停止將氟氯化碳和其他破壞臭氧層的化學物質放入平流層，臭氧層最終可能會自我修復。
臭氧的消耗
“臭氧消耗”一詞不僅意味著臭氧的自然破壞，還意味著臭氧損失超過了臭氧的產生。將額外的破壞臭氧層的化合物（例如 CFC）放入大氣中就像增加我們臭氧“桶”中的孔洞的大小。較大的孔導致臭氧以比產生臭氧更快的速度泄漏。因此，保護??我們免受紫外線輻射的臭氧水平降低。
在過去的 15 年中，在南極和北極地區發現了另一種快速破壞臭氧的機制。在各自的冬季，在地球兩極上空，平流層冷卻到非常冷的溫度，并形成極地平流層云 (PSC)。在極地平流層中，幾乎所有的氯都以不與臭氧或彼此發生反應的不活潑或“儲存”氣體的形式存在，例如氯化氫 (HCl) 和硝酸氯 (ClONO2)。然而，這些“蓄水池”氯氣會在極地平流層云粒子表面發生化學反應，將氯氣轉化為非常活潑的形式，從而迅速破壞臭氧。這種“極性化學” 平流層云粒子導致南極洲和北極上空的臭氧濃度大幅下降。事實上，南極洲春季臭氧水平下降得如此之低，以至于科學家將這種損失描述為“南極臭氧空洞”。
自 1920 年代以來，臭氧已通過地面儀器進行測量。科學家們在全球各地放置儀器，以測量每個地點穿過大氣層的紫外線輻射量。根據這些測量結果，他們計算出該位置上方大氣中的臭氧濃度。這些數據雖然有助于了解臭氧，但無法提供全球臭氧濃度的充分圖景。全球平流層中臭氧分子的數量和分布差異很大。臭氧分子在平流層周圍傳輸，就像水云在對流層中傳輸一樣。因此，僅僅觀察一個點的臭氧波動的科學家無法知道局部臭氧水平的變化是否意味著全球臭氧水平的改變，或者僅僅是該特定點的濃度波動。衛星使科學家有能力解決這個問題，因為它們提供了整個地球每天發生的事情的圖片。由美國宇航局和美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 聯合運行的美國臭氧衛星測量計劃按季節、緯度和經度測量了臭氧分布，并使用各種衛星儀器觀察了 20 多年的長期變化。今天使用的儀器將在未來五到十年內被新一代改進的、更復雜的儀器所取代。世界范圍內的平流層臭氧正在耗盡——部分原因是人類活動。科學家們現在知道，極地臭氧的大量損失是人類產生的化學物質影響的直接結果。然而，科學家們仍然不知道中緯度損失有多少是人類活動的結果，有多少是自然周期波動的結果。
