大气层中的臭氧层空洞的成因及影响的研究.doc

研究性学习开题报告课题名称：大气层中的臭氧层空洞的成因及影响的研究课题组成员：组长：指导教师：研究学科：综合班级：及：一、课题背景、意义及概念界定1、背景说明 近50年来，人类文明呈爆炸式发展，各方面研究都有了质的飞跃，出现了越来越多的方便我们生活的物品，电器等等，但它们也给地球带来了巨大的危害，各种如臭氧层空洞之类的环保问题层出不穷。2、课题的意义 为了让学生能自觉增强保护环境意识，树立以人为本的可持续发展观，必须深入地了解当今世界所面对的严峻的环保形势，学会从小事做起，从现在做起，从我做起热爱环境、爱护自然。本课题主要是围绕大气层中的臭氧层空洞的成因及影响进行研究，并让学生就问题进行深入的探究，从多方面了解该课题，提高环保意识。3、概念界定 自然界中的臭氧，大多分布在距地面20Km-50Km的大气中，我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道，太线中的紫外线分为长波和短波两种，当大气中（含有21%）的氧气分子受到短波紫外线照射时，会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强，极易与其他物质发生反应。如与氢（H2）反应生成水（H2O)，与碳（C）反应生成二氧化碳（CO2）。同样的，与氧分子（O2）反应时，就形成了臭氧（O3）。臭氧形成后，由于其比重大于氧气，会逐渐的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着温度的变化（上升），臭氧不稳定性愈趋明显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。二、研究的目标与容研究目标：1、收集有关大气层中臭氧层过去与现在的情况进行对比，找出近十年来臭氧层的变化。2、了解臭氧层空洞对人类生产生活的危害，从而认识到保护环境的重要性，迫切性。3、通过上网，查阅图书，询问相关人员等多种形式了解臭氧层被破坏的原因及过程。4、通过分析，了解人类活动对臭氧层的影响，提出保护大气层的设想。研究容：1、调查收集臭氧层空洞的情况。2、分析造成臭氧层空洞的原因。3、分析臭氧层空洞对人类危害。4、提出保护大气层的可行设想研究性学习结题报告一、研究成果1、什么是臭氧层空洞 臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气，把它分为两个原子，然后每个原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子，形成一个继续的过程臭氧氧气循环，如此产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地2050千米的高空。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造。2011年11月1日，日本气象厅发布的消息称，今年以来测到的南极上空臭氧层空洞面积的最大值超过去年，已相当于过去10年的平均水平值。2、臭氧层的作用大气臭氧层主要有三个作用。其一为保护作用，臭氧层能够吸收太臭氧层阻挡紫外线中的波长306.3nm以 下的紫外线，主要是一部分UVB(波长290300nm)和全部的UVC(波长<290nm=，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害。只有长波紫外线UV-A和少量的中波紫外线UV-B能够辐射到地面，长波紫外线对生物细胞的 伤害要比中波紫外线轻微得多。所以臭氧层犹如一件保护伞保护地球上的生物得以生存繁衍 。其二为加热作用，臭氧吸收太中的紫外线并将其转换为热能加热大气，由于这种作用 大气温度结构在高度50km左右有一个峰，地球上空1550km存在着升温层。正是由于存在着 臭氧才有平流层的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧气，所以也就不存在平流层。 大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响，这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。其三为温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。因此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。流层中的臭氧吸收掉太阳放射出的大量对人类、动物及植物有害波长的紫外线辐射（240329纳米，称为UV-B波长），为地球提供了一个防止紫外辐射有害效应的屏障。但另一方面，臭氧遍布整个对流层，却起着温室气体的不利作用。在平流层中臭氧耗损，主要是通过动态迁移到对流层，在那里得到大部分具有活性催化作用的基质和载体分子，从而发生化学反应而被消耗掉。臭氧主要是与HOX、NOX、ClOX和BrOX中含有的活泼自由基发生同族气相反应。 3、臭氧层破坏的原因 （1）当氟氯碳化物漂浮在空气中时，由于受到中紫外线的影响，开始分解释出氯原子出来。（2）这些氯原子的活性极大，常喜欢与其它物质结合。因此当它遇到臭氧的时候，便开始产生化学变化！（3）臭氧被迫分解成一个氧原子（O）及一个氧分子（O2），而氯原子就与氧原子相结合。（4）可是当其它的氧原子遇到这个氯氧化和的分子，就又把氧原子抢回来，组成一个氧分子（O2），而恢复成单身的氯原子就又可以去破坏其它的臭氧了！ 氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶，氟利昂是本世纪20年代合成的，其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量达到了144万吨。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其部分仍然停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟利昂，在上升进入平流层后，在一定的气象条件下，会在强烈紫外线的作用下被分解，分解释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。 氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶，氟利昂是本世纪20年代合成的，其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，被当作制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量达到了144万吨。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万吨。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其部分仍然停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟利昂，在上升进入平流层后，在一定的气象条件下，会在强烈紫外线的作用下被分解，分解释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。4、臭氧层空洞对人类和自然的影响 臭氧层被大量损耗后，吸收紫外辐射的能力大大减弱，导致到达地球表面的紫外线B明显增加，给人类健康和生态环境带来多方面的的危害，已受到人们普遍关注的主要有对人体健康、陆生植物、水生生态系统、生物化学循环、材料、以及对流层大气组成和空气质量等方面的影响。对健康的影响紫外线的增加对人类健康有严重的危害作用。潜在的危险包括引发和加剧眼部疾病、皮肤癌和传染性疾病。对有些危险如皮肤癌已有定量的评价，但其他影响如传染病等仍存在很大的不确定性。实验证明紫外线会损伤角膜和眼晶体，如引起白障、眼球晶体变形等。据分析，平流层臭氧减少1%，全球白障的发病率将增加0.6-0.8%，全世界由于白障而引起失明的人数将增加10,000到15,000人；如果不对紫外线的增加采取措施，到2075年，UV-B辐射的增加将导致大约1800万例白障病例的发生。紫外线的增加能明显地诱发人类常患的三种皮肤疾病。这三种皮肤疾病中，巴塞尔皮肤瘤和鳞状皮肤瘤是非恶性的。利用动物实验和人类流行病学的数据资料得到的最新的研究结果显示，若臭氧浓度下降10%，非恶性皮肤瘤的发病率将会增加26%。另外的一种恶性黑瘤是非常危险的皮肤病，科学研究也揭示了段紫外线与恶性黑瘤发病率的在联系，这种危害对浅肤色的人群特别是儿童期尤其严重；已有研究表明，长期暴露于强紫外线的辐射下，会导致细胞的DNA改变，人体免疫系统的机能减退，人体抵抗疾病的能力下降。这将使许多发展中国家本来就不好的健康状况更加恶化，大量疾病的发病率和严重程度都会增加，尤其是包括麻疹、水痘、疱疹等病毒性疾病，疟疾等通过皮肤传染的寄生虫病，肺结核和麻疯病等细菌感染以及真菌感染疾病等；对生态的影响世界上30%以上的动物蛋白质来自海洋，满足人类的各种需求。在许多国家，尤其是发展中国家，这一百分比往往还要高。因此很有必要知道紫外辐射增加后对水生生态系统生产力的影响。此外，海洋在与全球变暖有关的问题中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大气中二氧化碳的一个重要去除途径，它们对未来大气中二氧化碳浓度的变化趋势起着决定性的作用。海洋对CO2气体的吸收能力降低，将导致温室效应的加剧。海洋浮游植物并非均匀分布在世界各大洋中，通常高纬度地区的密度较大，热带和亚热带地区的密度要低10到100倍。除可获取的营养物，温度，盐度和光外，在热带和亚热带地区普遍存在的紫外线的含量过高的现象也在浮游植物的分布中起着重要作用。浮游植物的生长局限在光照区，即水体表层有足够光照的区域，生物在光照区的分布地点受到风力和波浪等作用的影响。另外，许多浮游植物也能够自由运动以提高生产力以保证其生存。暴露于紫外线下会影响浮游植物的定向分布和移动，因而减少这些生物的存活率。研究人员已经测定了南极地区紫外线辐射及其穿透水体的量的增加，有足够证据证实天然浮游植物群落与臭氧的变化直接相关。对臭氧洞围和臭氧洞以外地区的浮游植物生产力进行比较的结果表明，浮游植物生产力下降与臭氧减少造成的紫外线辐射增加直接有关。一项研究表明在冰川边缘地区的生产力下降了6-12%。由于浮游生物是海洋食物链的基础，浮游生物种类和数量的减少还会影响鱼类和贝类生物的产量。据另一项科学研究的结果，如果平流层臭氧减少25%，浮游生物的初级生产力将下降10%，这将导致水面附近的生物减少35%。研究发现中的紫外线辐射对鱼、虾、蟹、两栖动物和其它动物的早期发育阶段都有危害作用。最严重的影响是繁殖力下降和幼体发育不全。即使在现有的水平下，紫外线已是限制因子。紫外线的照射量很少量的增加就会导致消费者生物的显著减少。尽管已有确凿的证据证明紫外线辐射的增加对水生生态系统是有害的，还只能对其潜在危害进行粗略的估计。对循环的影响紫外线的增加会影响陆地和水体的生物地球化学循环，从而改变地球-大气这一巨系统中一些重要物质在地球各圈层中的循环，如温室气体和对化学反应具有重要作用的其他微量气体的排放和去除过程，包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、氧硫化碳（COS）及O3等。这些潜在的变化将对生物圈和大气圈之间的相互作用产生影响。对陆生生态系统，增加的紫外线会改变植物的生成和分解，进而改变大气中重要气体的吸收和释放。当紫外线光降解地表的落叶层时，这些生物质的降解过程被加速；而当主要作用是对生物组织的化学反应而导致埋在下面的落叶层光降解过程减慢时，降解过程被阻滞。植物的初级生产力随着紫外线辐射的增加而减少，但对不同物种和某些作物的不同栽培品种来说影响程度是不一样的。在水生生态系统中紫外线也有显著的作用。这些作用直接造成紫外线对水生生态系统中碳循环、氮循环和硫循环的影响。紫外线对水生生态系统中碳循环的影响主要体现于紫外线对初级生产力的抑制。在几个地区的研究结果表明，现有紫外线辐射的减少可使初级生产力增加，由南极臭氧洞的发生导致全球紫外线辐射增加后，水生生态系统的初级生产力受到损害。除对初级生产力的影响外，紫外辐射还会抑制海洋表层浮游细菌的生长，从而对海洋生物地球化学循环产生重要的潜在影响。紫外线促进水中的溶解有机质（DOM）的降解，使得所吸收的紫外辐射被消耗，同时形成溶解无机碳（DIC）、CO以及可进一步矿化或被水中微生物利用的简单有机质等。紫外线增加对水中的氮循环也有影响，它们不仅抑制硝化细菌的作用，而且可直接光降解象硝酸盐这样的简单无机物种。紫外线对海洋中硫循环的影响可能会改变COS和二甲基硫（DMS）的海-气释放，这两种气体可分别在平流层和对流层中被降解为硫酸盐气溶胶。5、臭氧层空洞在近50年来的变化1984年，英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞。1985年，美国的 “雨云-7号”气象卫星测到了这个臭氧洞。1985 年，英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现：在过去 10 - 15 年间、每到春天南极上空的臭氧浓度就会减少约 30%，有近 95% 的臭氧被破坏。从地面上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比像是形成一个“洞”，直径达上千公里，“臭氧洞”由此而得名。卫星观测表明，此洞覆盖面积有时比美国的国土面积还要大。到 1998 年臭氧空洞面积比 1997 年增大约 15%，几乎相当于三个澳大利亚大。前不久，日本环境厅发表的一项报告称，1998 年南极上空臭氧空洞面积已达到历史最高记录，为 2720 万平方公里，比南极大陆还大约 1 倍。美、日、英、俄等国家联合观测发现，北极上空臭氧层也减少了 20%。在被称为是世界上“第三极”的青藏高原，中国大气物理及气象学者的观测也发现，青藏高原上空的臭氧正在以每 10 年 2.7% 的速度减少。根据全球总臭氧观测的结果表明，除赤道外，1978 - 1991 年总臭氧每 10 年间就减少 1% - 5%。6、人类控制臭氧层破坏的途径和政策 在现代经济中，氟利昂等物质应用非常广泛，要全面淘汰，必须首先找到氟利昂等的替代物质和替代技术。在特殊情况下需要使用，也应努力回收，尽可能重新利用。目前，世界上一些氟利昂的主要生产厂家参与开发研究了替代氟利昂的含氟替代物（含氢氯氟烃HCFC和含氢氟烷烃HCF等）及其合成方法，有可能用作发泡剂、制冷剂和清洗溶剂等，但这类替代物也损害臭氧层或产生温室效应。同时，也在开发研究非氟利昂类型的替代物质和方法，如水清洗技术、氨制冷技术等。 为了推动氟利昂替代物质和技术的开发和使用，逐步淘汰消耗臭氧层物质，许多国家采取了一系列政策措施，一类是传统的环境管制措施，如禁用、限制、配额和技术标准，井对违反规定实施严厉处罚。欧盟国家和一些经济转轨国家广泛采用了这类措施。一类是经济手段，如征收税费，资助替代物质和技术开发等。美国对生产和使用消耗臭氧层物质实行了征税和可交易许可证等措施。另外，许多国家的政府、企业和民间团体还发起了自愿行动，采用各种环境标志，鼓励生产者和消费者生产和使用不带有消耗臭氧层物质的材料和产品，其中绿色冰箱标志得到了非常广泛的应用。 1985年，在联合国环境规划署的推动下，制定了保护臭氧层的维也纳公约。1987年，联合国环境规划署组织制定了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，对8种破坏臭氧层的物质（简称受控物质）提出了削减使用的时间要求。这项议定书得到了163个国家的批准。1990年、1992年和1995年，在伦敦、哥本哈根、维也纳召开的议定书缔约国会议上，对议定书又分别作了3次修改，扩大了受控物质的围，现包括氟利昂（也称氟氯化碳CFC）、哈伦（CFCB）、四氯化碳（CCL4）、甲基氯仿（CH3CCl3）、氟氯烃（HCFC）和甲基溴（CH3Br）等，并提前了停止使用的时间。根据修改后的议定书的规定，发达国家到1994年1月停止使用哈伦，1996年1月停止使用氟利昂、四氯化碳、甲基氯仿；发展中国家到2010年全部停止使用氟利昂、哈伦、四氯化碳、甲基氯仿。中国于1992年加入了蒙特利尔议定书。 为了实施议定书的规定，1990年6月在伦敦召开的议定书缔约国第二次会议上，决定设立多边基金，对发展中国家淘汰有关物质提供资金援助和技术支持。1991年建立了临时多边基金，1994州年转为正式多边基金。到1995年底，多边基金共集资4.5亿美元，在发展中国家共安排了1100多个项目。 到1995年，经济发达国家已经停止使用大部分受控物质，但经济转轨国家没有按议定书要求削减受控物质的使用量。发展中国家按规定到2010年停止使用，受控物质使用量目前仍处于增长阶段。中国由于经济持续高速增长，家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等产品都大幅度增长，受控物质使用量比1986年增长了一倍以上，成为世界上使用受控物质最多的国家之一。 从各项国际环境条约执行情况而言，这项议定书执行的是最好的。目前，向大气层排放的消耗臭氧屋物质已经逐年减少，从1994年起，对流层中消耗臭氧层物质浓度开始下降。预计到2000年，平流层中消耗臭氧层物质的浓度将达到最大限度，然后开始下降。但是，由于氟利昂相当稳定，可以存在50至100年，即使议定书完全得到履行，臭氧层的耗损也只能在2050年以后才有可能完全复原。另据1998年6月世界气象组织发表的研究报告和联合国环境规划署作出的预测，大约再过20年，人类才能看到臭氧层恢复的最初迹象，只有到21世纪中期臭氧层浓度才能达到本世纪60年代的水平。二、研究心得及体会 在这次的研究性学习报告中，我们组员团结一致，分工明确，极锻炼了我们团结协作的能力，对臭氧层空洞的深入研究中，我们也体会到了当今社会面临的严峻的环境问题，这也使我们认识到保护环境的重要性，迫切性，提高环保意识。并提倡同学家人也开始节约能源，保护环境。 在开放的情境中主动探索，亲身体验，在愉快的心情中自主学习，提高能力，我们在研究性学习中不断收获，得到锻炼，提升自我。