文章来源:海洋与湿地
“海洋与湿地”(OceanWetlands)编辑团队获悉,《关于臭氧层的二十个问答:2022年更新》(Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2022 Update)报告于2023年5月3日发布。小编现将问题1“什么是臭氧,它是如何形成的,它在我们的大气中的什么地方?”翻译发布,供读者了解与参考。
《关于臭氧层的二十个问答:2022年更新》报告封面
臭氧是一种自然存在于大气中的气体。臭氧化学式为O3,因为一个臭氧分子包含三个氧原子(见图Q1-1)。
Q1-1 臭氧和氧气。一个臭氧分子(O3)包含三个氧原子(O)结合在一起。氧气(O2)约占地球大气中气体的21%,由两个氧原子结合在一起组成。
臭氧于19世纪中期在实验室发现。大气中臭氧的存在是后来用化学和光学测量方法发现的。臭氧这个词来源于希腊语óζειν (ozein),意思是“气味”。臭氧有一种刺鼻的气味,即使含量很低也能被探测到。臭氧与许多化合物反应迅速,浓度高时具有爆炸性。放电通常用于产生臭氧,用于工业过程,如空气和水的净化以及纺织品和食品的漂白。
大部分臭氧(约90%)存在于平流层中,平流层从地球表面上方10 -15公里处开始,一直延伸到50公里的高度。臭氧浓度最高的平流层区域,大约在海拔15至35公里之间,通常被称为“臭氧层”(见图Q1-2)。
图Q1-2 大气中的臭氧。臭氧存在于整个对流层和平流层。这张剖面图图解地显示了热带地区臭氧是如何随海拔变化的。大部分臭氧存在于平流层的“臭氧层”中。这一层的垂直范围或厚度在全球因地区和季节而异。近地表臭氧的增加是人类活动释放的空气污染物的结果。直接接触臭氧对人类和其他形式的生命是有害的。
平流层臭氧层覆盖了整个地球,只是其高度和厚度有所不同。剩余的臭氧大部分(约10%)存在于对流层,对流层是大气的最底层,位于地球表面和平流层之间。对流层空气是“我们呼吸的空气”,因此,对流层中过量的臭氧具有有害后果。
臭氧分子只占大气中气体分子的一小部分。大多数空气分子不是氧(O2)就是氮(N2)。在接近臭氧层峰值浓度的平流层,每10亿个空气分子中通常有几千个臭氧分子。在地球表面附近的对流层,臭氧甚至更少,每10亿个空气分子中只有20到100个臭氧分子。接近地表的臭氧值最高的地方是受人类活动污染的空气。“丰度”一词是指大气气体或其他物理量的浓度或量。
为了说明大气中臭氧含量相对较低的情况,我们可以想象一下,把对流层和平流层中的所有臭氧分子带到地球表面,形成一层覆盖整个地球的纯臭氧。生成的层的平均厚度约为3毫米(0.12英寸),科学家将其报告为300多布森单位(Dobson Units)。尽管如此,这极小的一部分大气在保护地球上的生命方面起着至关重要的作用。
平流层臭氧是由太阳紫外线辐射(阳光)和氧分子的化学反应自然形成的,氧分子约占大气的21%。第一步,太阳紫外线将一个氧分子(O2)分解为两个氧原子(2O)(见图Q1-3)。
Q1-3 平流层臭氧的产生
在第二步中,这些高活性的氧原子与氧分子结合产生臭氧分子(O3)。只要平流层中有太阳紫外线辐射,这些反应就会不断发生。因此,最大的臭氧产生发生在热带平流层。
平流层臭氧的产生与化学反应中臭氧的破坏相平衡。臭氧不断地与阳光以及平流层中各种自然和人为产生的化学物质发生反应。在每一个反应中,臭氧分子都会损失,同时产生其他化合物。破坏臭氧的重要活性气体是氢和氮氧化物以及含有氯和溴的气体。一些平流层臭氧有规律地向下输送到对流层,偶尔会影响地球表面的臭氧量。
在地球表面附近,臭氧是由自然来源和人类活动排放到大气中的气体发生化学反应而产生的。对流层中臭氧的产生主要是由碳氢化合物和氮氧化物气体的反应产生的,所有这些都需要阳光才能完成。
化石燃料燃烧和森林砍伐是导致产生对流层臭氧的污染气体的主要来源。与平流层一样,对流层中的臭氧也会因自然发生的化学反应和人为产生的化学反应而遭到破坏。当臭氧与各种表面(如土壤和植物表面)发生反应时,对流层臭氧也会被破坏。
平流层和对流层的臭氧丰度是由产生和破坏臭氧的化学过程之间的平衡决定的。平衡取决于反应气体的数量,以及各种反应的速率或有效性如何随阳光强度、大气位置、温度和其他因素而变化。当大气条件在某一地点发生有利于臭氧生成反应的变化时,臭氧丰度就会增加。同样,如果环境发生变化,有利于其他破坏臭氧的反应,臭氧的丰度就会减少。产生和损失反应的平衡,加上输送和混合臭氧丰度不同的空气的大气运动,决定了臭氧在几天到几个月的时间尺度上的全球分布。从20世纪70年代到90年代末,由于人类活动导致平流层中含有氯和溴的活性气体的数量增加,全球平流层臭氧减少。
报告全文详见:
https://ozone.unep.org/sites/default/files/2023-05/Final_20Qs%202022%20full%20document_26April2023_digital%20version.pdf
文/YJ 审/Samantha