《臭氧层破坏》PPT课件.ppt

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1、1,臭氧层的破坏,马双忱,Depletion of Ozone Layer,2,大气臭氧层的作用,在离地1050km的大气平流层中，集中了大气中的90的臭氧，其中离地2025km臭氧浓度值达到最高，称其为臭氧层(Ozone layer）。臭氧层主要的作用使其能够吸收紫外光而使人类免受紫外光的侵害，所以也称为地球的保护伞。,3,大气臭氧层主要有三方面的作用：（1）保护作用太阳不仅可以发出可见光，而且能发射强烈的紫外线（Ultraviolet，简称UV），某些波长的紫外线对生物有极大的杀伤力。UV-A:=320400nm,臭氧只吸收其中的一小部分，所幸的是UV-A对生物的杀伤力极小；UV-B:=2

2、80320nm,臭氧吸收其中的绝大部分，UV-B对生物的杀伤力比较强；UV-C:=200280nm,UV-C对生物的杀伤力极强，但UV-C几乎可以全部被臭氧吸收。这样臭氧的存在，保护了地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害（95-99%被吸收），使地球上的生物得以生存繁衍。,4,（2）加热作用臭氧吸收太阳光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存在升温层（上暖下冷），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，所以也就不存在平流层。平流层温度范围在210275K之间。大气的温度结构对于大气的循环具

3、有重要的影响。这一现象的起因也来自臭氧的高度分布。（3）温室作用位于大气顶层的臭氧能防止紫外线辐射，长期以来被誉为地球的防护罩，但科学家发现，靠近地面的臭氧，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。这个位置的臭氧是一种温室气体。如果这一高度的臭氧减少，即会产生使地面气温下降的动力。,5,臭氧及其在大气层中的分布 O3是O2的同素异形体，呈弯曲形,OO键长127.8pm（1皮米=10-12米）,键角116.8,是极性分子。中间O原子和两端O原子成键情况不同。臭氧具有强氧化性，能氧化许多其他物质。,6,臭氧在大气层的分布,大气中臭氧只占千万分之几，其中平流层臭氧占

4、大气总臭氧的91。在高度为2035km处浓度较大，但最大处也只有大气的十万分之一左右（10ppm）。根据估算，如果把散布在大气中的臭氧集中成一个包围地球、靠近海平面的臭氧层，在地表标准状态下，只相当于3mm厚的薄层,7,高空臭氧含量可用分光光度法观测地面各处上空大气柱中的臭氧总量来定测定原理是臭氧对不同波段紫外线吸收率不同，比较两个波段紫外线强度，就可求算出臭氧总量。通常将在0、标准海平面压力下，10-5m厚的纯臭氧定义为1Dobson单位(DU)中文译为：道布森,100DU=1mm 例如，1991年南极臭氧总量平均为110DU，这数据表明大气中含有相当于1.1mm厚的纯臭氧层,即110DU(

5、10-5m/DU)=1.1 10-3m=1.1mm 某地的臭氧浓度降到220DU以下则可被认为出现了臭氧洞。,8,臭氧浓度单位：道布森 卫星测试新方法,9,大气中臭氧来源随高度不同而异，其作用也不相同:近地的对流层，O3是由雷电、工业生产中的电弧和汽车电火花等途径形成的。汽车排放的氮氧化物、碳氢化合物被认为是造成近地臭氧污染的主要原因。平流层中臭氧层的减薄会造成地面光化学反应加剧，使近地面的对流层臭氧浓度增高，光化学烟雾污染加重。同时它对红外波长10微米左右很窄的频带范围内的地球辐射有很强的吸收峰，可以吸收此波段的长波辐射并加热大气，因此O3还是温室气体。O3和大气中SO2、NOX、HOX、N

6、H3等易反应，所以含量不定;Bad ozone平流层中O3主要系O2受阳光中紫外线照射反应生成：O2+h2O(242nm紫外光)O2+O+M O3+M(M为第三体物质)同时还存在消除反应：O3+hO2+O(波长200320nm的紫外光)O3+O 2O2 所以平流层中的O3含量长期保持稳定,臭氧达到动态平衡（Ozone equilibrium），也即臭氧生成和耗损的速率相同，臭氧的浓度保持恒定。Good ozone,10,臭氧产生和损耗机理图示,11,臭氧层空洞（Ozone hole),20世纪70年代以来，从世界各地地面观察站对大气臭氧总量的观测记录发现，全球臭氧总量有逐渐减少的趋势，并推断臭

7、氧的减少主要在臭氧层。一些环境科学家认为，某些人类活动所散发消耗臭氧层物质（ODS）进入臭氧层后，参与了臭氧的化学反应，破坏了臭氧层的自然动态平衡，因此出现了臭氧层耗减(ozone layer depletion)的迹象。臭氧层破坏（Ozone Layer Destruction）问题是目前举世关注的环保问题。迄今，人们已经得到共识:应该保护臭氧层。,12,现代分析化学测定结果说明：近30年来臭氧层已遭到严重损耗破坏南极上空1979年为290DU，1987年降为121DU，1991年降为110DU1983年前后，科学家通过气球和气象卫星的监测，首先发现南极上空的臭氧空洞（Ozone hole）

8、；1986年又在北极上空发现臭氧薄层区和空洞；,13,ozone decline,ozone decline,14,早在1974年，美国加利福尼亚大学教授罗兰(Rowland)和莫利纳(Molina)首先提出，世界上正在大量生产和使用的CFCs，进入臭氧层后受到短波紫外线UV-C的照射分解成Cl自由基，参与了对臭氧的消耗。氟氯烃具有加速破坏平流层中臭氧保护层的危害性。经研究人员对臭氧层的破坏进程所作长期观测和分析，发现了很多规律性现象：如臭氧层上部（距地面30km以上）的损耗比下部严重；地球中、高纬度区上空的损耗比其他地区严重，尤其以两极地为甚。此外，与南极相比，北极上空臭氧的耗损程度略小些。

9、,关于臭氧层破坏的研究与发现,15,为什么地处高空的臭氧层会遭到破坏呢?这要从大气层的结构和性质来了解。从地表到对流层顶部，气温约从15降至-56，再往上到50km左右是平流层顶部，气温又升至约-2。对流层顶的低温，使水和一般污染物到此都凝结下落，保护了平流层。由于平流层中大气在垂直方向对流很少，而水平方向混合得快，有害污染物一旦进入平流层，可能在那里滞留数年之久，影响整个地球。,16,臭氧损耗(ozone depletion),17,2000年：2800万平方公里2001年：2500万平方公里,18,南极臭氧空洞(根据NASA卫星数据）,19,20,消耗臭氧层物质（Ozone Depleti

10、ng Substance,ODS),从对流层扩散到平流层的破坏臭氧的污染物主要为氮氧化物(NOx)和氯氟烃(Chlorofluorocarbons,CFC)；如CFCl3，CF2Cl2等若干种氯和氟置换的甲、乙、丙烷的总称，商品名为氟里昂(Freon),21,罪魁祸首：含氯和含溴的简单卤代烷,22,氟里昂是一类广泛使用的有效致冷剂，是20世纪化学家最伟大的发明之一。直到几年前，它们还在除臭剂、喷发剂及其他方面有很多的用途。在CFC类物质中，应用最普遍的是二氯二氟甲烷，CF2Cl2，即氟利昂-12（沸点为-28）和三氯一氟甲烷，CFCl3，即氟利昂-11（沸点为24）。工业上常用的CFC类物质还

11、有氟利昂-113，即CCl2FCClF2和氟利昂-114，即CClF2CClF2。,23,氟利昂-11和氟利昂-12在较低的大气层中是化学惰性的(在大气中寿命50100年）。由于氟利昂的性质不活泼，全球的年产量高达5105t以及大量的氟利昂废气向大气排放，三个因素结合在一起，致使氟氯烃成为大气的均质成分之一。,24,CFC 产品,25,另外，在平流层飞行的飞机直接把NO和H2O等排放入平流层，也会造成臭氧的破坏；氮氧化物和氯氟烃是主要的ODS物质。,26,臭氧层破坏机理,臭氧在平流层中产生和消除都是通过光化学过程进行的，其中发生的主要反应有：初级化学反应：在以上各式中，M是一个不起反应的分子，

12、它作为第三体带走剩余能量；Ox代表具有单数个氧原子的同素异形体（即O和O3），Ox的生成和消失由反应（1）和反应（4）决定，氧（O）与臭氧（O3）的存在比例则由反应（2）和反应（3）决定。,27,破坏臭氧层的机理是按链式反应进行的，一个污染物分子平均可破坏上千个O3分子!破坏O3的机理如下：a氮氧化物破坏O3的机理：NO+O3 NO2+O2+)NO2+O NO+O2 总反应：O3+O 2O2,28,NOX的环境影响,29,b氯氟烃破坏O3的机理：CF2Cl2+h Cl+CF2Cl O3+Cl ClO+O2+)ClO+O Cl+O2 总反应：O3+O 2O2,一个Cl 原子可破坏10 万个O3分

13、子，除氟里昂外，其他卤代烷烃如：CF3Br(哈龙)、CCl4(氯仿)、CH3Br（甲基溴）等 同样会破坏O3，且Br 破坏O3 的能力比Cl 更强。第一次对此作出重大贡献是F.Sherwood Rowland和 Mario Molina,他们是1995年诺贝尔化学奖获得者。,30,由CFC12释放出的Cl自由基对臭氧的连续破坏,紫外线将氧分子O2分解成两个单独的氧原子,O3,自由氧原子与氧分子结合形成臭氧分子O3,CFC中释放出的Cl自由基与臭氧反应生成ClO和O2,ClO存在时间很短，它与自由氧原子结合释放出Cl原子和氧气，又可以接着破坏另外一个臭氧分子,臭氧分子在紫外线的作用下自然分解，在

14、没有人造化合物的情况下将与臭氧的形成过程保持平衡,31,32,c.HOX破坏O3的机理 平流层HOX主要是由H2O,CH4 或H2与O反应而生成的。,33,有关平流层中能引起臭氧分子破坏的这类催化反应，总结如下：,34,以上四组反应有相似之处，对此可用下列通式表示之：在这里，O由反应（1）和反应（2）提供。Y包括NOX(NO,NO2)，HOX(H,HO,HO2)，ClOX(Cl,ClO)，这些物质是对平流层中臭氧分子的破坏起着特别重要的触媒作用，因为由Y引发的环式反应系列首尾相联，原先消耗的反应物Y到后来又产生了出来，且反应的最终结果与反应（4）一致。以上各组环式反应中控制反应速度的分别是反应

15、（5）、（8）、（10）和（12）。,35,在平流层下部，NOx环式反应对O3分子破坏起最主要作用；随着高度上升，ClOx和HOx环式反应逐渐显示出它们的作用。在近30km处，ClOx环式反应消除O3的速度与反应（4）相当，这表示臭氧在这个高度受破坏是与氟里昂类人造化学物质的作用有关。如氟里昂11（CFCl3）和氟里昂12（CF2Cl2）是平流层高空中ClOx的人为来源，尽管氟利昂在低层大气中性质不活泼，但在平流层中却能吸收紫外辐射（200nm左右）分解产生原子Cl，导致上述的光化学分解反应发生。事实上，已经用现代的仪器测量方法在该区域中检出ClO和Cl两个品种。,36,大气中臭氧和氧化氯的变

16、化,37,臭氧层破坏的危害,臭氧层的耗减产生的直接结果就是使太阳光中的紫外线UV-B到达地面的数量增加。紫外线UV-B能破坏蛋白质的化学键，杀死微生物，破坏动植物的个体细胞，损害其中的脱氧核糖核酸(DNA)，引起传递遗传特性的因子变化，发生生物的变态反应。,38,（1）对人类健康的影响 长期反复照射过量紫外线将引起人体细胞内DNA的改变，细胞的自身修复能力减弱，免疫机能减退，皮肤发生弹性组织变性，角质化以至皮肤癌变，诱发眼球晶体发生白内障等。据认为，若大气中臭氧的含量减少1，成千上万的人将由于紫外辐射的增加而患眼病，轻则白内障，重的有失明的危险。皮肤癌患者可能增加3。此外有不少人的免疫系统受到

17、影响，抵御疾病的能力下降。,39,（2）对陆生植物的影响 紫外线UV-B辐射强会引起某些植物物种的化学组成发生变化，影响农作物在光合作用中捕获光能的能力，造成植物获取的营养成分减少，生长速度减慢，另外，紫外线UV-B辐射的增加，还会改变部分植物细胞内遗传基因和再生能力，使它们质量下降。臭氧层变薄对植物的生长也带来不利影响，许多农作物将受到损伤，尤其豆类作物，研究结果显示，臭氧含量下降20，大豆的产量将减少3成以上。3）对水生生物的影响 海洋浮游植物的吸收是大气中CO2的一个重要的消防途径，它们对未来大气中CO2浓度的变化趋势起着决定性作用。海洋对CO2气体的吸收能力降低，将导致温室效应加剧。另

18、外，紫外线UV-B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。,40,(4)使城市环境恶化 过量的紫外线除了直接危害人类和生物机体外，还会使城市环境恶化，进而损害人体健康，影响植物生长和造成经济损失。城市工业在燃烧矿物燃料时排放的氧化氮，与某些工业和汽车所排放的挥发性有机物，同时在紫外线照射下会更快地发生光氧化反应，引起光化学烟雾污染。据美国环保局(EPA)估计，当臭氧耗减25时，城市光化学烟雾的发生几率将增加30，聚合物材料等老化的经济损失将高达47亿美元。（5）对建筑材料的破坏 紫外线辐射的增加会加速建筑、喷涂、包装及电线电缆等所

19、用材料，尤其是聚合物材料的降解和老化变质。由于这一破坏作用造成的损失估计全球每年达到数十亿美元。,41,最后，臭氧层的破坏与气候变化也有密切关系，温室效应及光化学烟雾污染都与CFC排放有关。据分析，目前全球气候有变暖的趋势，在众多的相关因素中，约有10%25是由CFC的作用引起的。,42,臭氧层问题对策,当前，有识之士都已认识到臭氧层问题的严重性。为了保护臭氧层，世界各国政府一致认为有必要采取有效的紧急措施如果说中国古代的神话传说女娲补天有杞人忧天之嫌，本世纪的“补天”则是千真万确的全球联动。,43,1987年月在加拿大蒙特利尔会议上，通过了关于消耗臭氧层物质(ODS)的蒙特利尔议定书（Mon

20、treal Protocol），并于1989年月日生效。议定书包括了具体的控制措施。议定书规定的控制物质有两类，共种，第一类种CFCs，第二类种哈龙（哈龙1211、哈龙1301和哈龙2402），控制内容为其生产量和销售量。对于第二类受控物质（哈龙），其消费量和生产量自1992年月日起，每年不超过1986年的基准数。截止到2000年月，参加公约缔约国共有174个，我国政府于1989年月11日正式加入公约，并于1989年12月10日生效。,44,UNEP自蒙特利尔会议以后，召开了多次缔约国会议，对议定书进行了多次调整和修正，以加快淘汰进程，扩大受控物质范围。1990年6月在英国伦敦对蒙特利尔的议定

21、书作了修订，通过了伦敦修订书（London Amendment）。截止1990年底，已经有64个国家和欧洲经济共同体批准了蒙特利尔新的修订议定书，此外，尚有不少国家的政府表示了愿意参加该协议的意向。1992年在哥本哈根又签署了哥本哈根修订书（Copenhagen Amendment），对保护臭氧层规定了一些具体的措施。我国于1991年月日加入议定书伦敦修正案，成为第五条第款缔约国，并于1992年月10日正式生效。,45,蒙特利尔议定书附件A的管制物质,臭氧耗减潜值(英文名称为：Ozone depletion potential，简称ODP)，以CFC11为基准比较物，设定其ODP值为1。是指在

22、某种物质的大气寿命期间内，该物质造成的全球臭氧损失相对于相同质量的CFC-11的排放所造成的臭氧损失的比值。,46,The graph below depicts the trend of CFCs reduction as compared to the baseline figure.,47,为了履行议定书缔约国的义务，全面有效地实施议定书的控制措施，我国政府于1992年编制了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，正式成为中国政府为保护臭氧层履行议定书缔约国义务的基本文件。该方案详细地统计分析了我国的生产和消费现状，科学地评估了其发展趋势和替代物、替代技术的开发情况。按照议定书伦敦修正案的要

23、求，制定了到2010年完全淘汰受控物质的实施方案和行动计划，提出了一整套保护臭氧层的政策和机构框架。,48,存在于自然界中，非经人工合成，可作为冷媒用途的物质。例如：氨(Ammonia,NH3)R-717 二氧化碳(CO2)R-744 水(H2O)R-718 空气 R-729 碳氢化合物(HCs),49,臭氧层破坏问题受到了各国政府部门和社会公众的普遍关注，有关研究工作日益深入。但学术界对这个问题还有不同看法。如有人认为，高层大气中的臭氧只是薄薄一层，在阻挡太阳紫外辐射方面起不了那么大的作用。再者，目前臭氧层中CFCs的浓度大约是千万分之几的体积分数，它在破坏臭氧层方面也起不了那么大的作用。这样的看法虽属少数，但从另一方面显示，这里涉及的是一个大环境问题，对此还有许多方面尚处于感性认识阶段，有待人们进一步深入研究。,50,补天在行动,51,作业,P165:4,5,课后讨论题：臭氧层变薄已是一个不争的事实，根据你的了解，臭氧层变薄比较突出的位置是哪里？臭氧层为什么变薄，请从化学的角度去思考其原因？人类如何应对？,