現(xiàn)代環(huán)境變化的關(guān)鍵區(qū)
監(jiān)測(cè)與研究現(xiàn)代環(huán)境變化，是當(dāng)代與人類休戚相關(guān)的重要科學(xué)問(wèn)題之一。在南極地區(qū)，尤其是人類活動(dòng)影響最小的南極地區(qū)，它之所以成為現(xiàn)代環(huán)境變化的關(guān)鍵區(qū)，至少有如下兩個(gè)內(nèi)容。
第一，是尋找全球環(huán)境本底值的關(guān)鍵地區(qū)。所謂環(huán)境本底值，是個(gè)相對(duì)的概念，是指在不受或少受人類活動(dòng)--尤其是工業(yè)活動(dòng)--影響條件下的環(huán)境狀態(tài)。前一節(jié)中曾提到，在南極地區(qū)冰蓋中打鉆采樣可以得到各歷史時(shí)期的空氣樣，從而得到未受人類活動(dòng)影響時(shí)期的大氣環(huán)境本底狀態(tài)。本節(jié)將重點(diǎn)介紹當(dāng)今南極地區(qū)仍可視為全球環(huán)境的本底值區(qū)。
從空氣采樣分析的大氣成分表明，南極地區(qū)大氣中所含的硅、硫、氯、鉀、鈣、鉻、鐵、銅和鋅等九種元素的濃度比北京郊區(qū)的百花山要低2個(gè)～4個(gè)量級(jí)，即使和喜瑪拉雅山脈東端的南迦巴瓦峰山區(qū)相比，也要低1個(gè)～3個(gè)量級(jí)�？梢�(jiàn)，南極地區(qū)可以作為這些元素的大氣環(huán)境本底值區(qū)。
從南極地區(qū)與其它地區(qū)冰雪樣、水樣的化學(xué)組分比較情況，可以看出，就全球范圍來(lái)看，南極地區(qū)雪水樣中的化學(xué)組分的離子濃度最小，珠蜂地區(qū)次之，其它地區(qū)本底站雪水樣的化學(xué)組分的離子濃度均要比南極地區(qū)高出1個(gè)～2個(gè)量級(jí)。顯然，南極地區(qū)冰雪樣中各化學(xué)組分的總離子濃度也可作為全球的環(huán)境底值。
第二，南極臭氧洞的變化密切關(guān)系著人類的生存。近20年來(lái)南極地區(qū)上空臭氧洞的變化成了全社會(huì)關(guān)注的一大環(huán)境科學(xué)問(wèn)題。原因在于，如果這個(gè)臭氧洞向人類活動(dòng)聚居的北半球移動(dòng)或擴(kuò)展，必將危及人類的生命安全和傷害地球上的生物。
所謂臭氧洞，是指包圍地球的大氣圈中臭氧總量的極低值區(qū)域；人們形象地將它比喻為大氣圈的臭氧層中出現(xiàn)了洞穴。所謂臭氧層，是指高度在20公里～30公里上空，圍繞地球的一圈含臭氧量較高的薄層，它有吸收太陽(yáng)紫外線的作用，可以防止過(guò)多的紫外線透過(guò)大氣層直達(dá)地面，傷害地球上的生物。
1970年以來(lái)，英國(guó)科學(xué)家在南極站上觀測(cè)到，每年10月，南極大陸上空的臭氧總量均會(huì)減少。根據(jù)這個(gè)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)科學(xué)家立刻查閱"雨云七號(hào)"衛(wèi)星自1978年以來(lái)觀測(cè)的臭氧總量資料，發(fā)現(xiàn)在每年10月左右，南極上空確實(shí)出現(xiàn)一片幾乎與美國(guó)面積相當(dāng)?shù)某粞蹩偭康椭祬^(qū)，并形象地稱它為“臭氧洞”。
從此，南極臭氧洞引起了社會(huì)各界的關(guān)注。美國(guó)科學(xué)基金會(huì)投資億萬(wàn)美元，支持科學(xué)家們對(duì)南極臭氧洞的觀測(cè)研究。自1987年8月至1988年4月，美國(guó)科學(xué)家在南極地區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的臭氧考察，289名科研人員分別在南極地區(qū)的麥克默多、阿蒙森-斯科特、帕爾默和塞普爾四站以及“極地公爵”號(hào)上進(jìn)行臭氧觀測(cè)。
觀測(cè)結(jié)果和歷史總量分析表明，自1979年以來(lái)，在每年南半球的春季，平流層（約在16公里～30公里高度）中的臭氧含量普遍減少，在8月底或9月初形成臭氧洞；9月～10月，臭氧洞繼續(xù)擴(kuò)大；11月，臭氧洞開(kāi)始消失。至80年代末，南極地區(qū)上空臭氧總量?jī)H為70年代的50%左右，1987年最低，有的地方比70年代減少了的近90%。1988年夏天（1月～2月），當(dāng)臭氧含量低的空氣團(tuán)從南極洲上空移向新西蘭上空時(shí)，兩天內(nèi)，新西蘭上空的臭氧含量減少了20%，一度引起了人們的恐慌。這一事實(shí)說(shuō)明，南極臭氧洞已開(kāi)始波及新西蘭，若繼續(xù)擴(kuò)大，可能會(huì)影響北半球地區(qū)。
南極臭氧洞向新西蘭擴(kuò)展，給世界敲響了警鐘，各國(guó)紛紛加入了"臭氧洞"的研究行列，一個(gè)世界規(guī)模的“臭氧洞熱”就這樣興起來(lái)了�？茖W(xué)家們把注意力集中于研究臭氧洞的形成與預(yù)測(cè)，以及如何防止臭氧洞的擴(kuò)大。
當(dāng)前，對(duì)南極臭氧洞形成原因的解釋有三種，即大氣化學(xué)過(guò)程解釋，太陽(yáng)活動(dòng)影響和大氣動(dòng)力學(xué)解釋。其一，大氣化學(xué)過(guò)程解釋，認(rèn)為臭氧層中可以產(chǎn)生某種大氣化學(xué)反應(yīng)，將3個(gè)氧原子含量的臭氧（O3）分解為分子氧（O2）和原子氧（O），從而破壞了臭氧層；其二，太陽(yáng)活動(dòng)影響解釋，認(rèn)為當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)峰年（即太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)烈的時(shí)期）前后，宇宙射線明顯增強(qiáng)，促使雙電子氮化物（如NO2）與O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得奇電子氮化物（如NO3）增加，O3轉(zhuǎn)換為O2；其三，大氣動(dòng)力學(xué)解釋認(rèn)為，初春，極夜結(jié)束，太陽(yáng)輻射加熱空氣，產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，將對(duì)流層臭氧濃度低的空氣輸入平流層，使得平流層臭氧含量減小，容易出現(xiàn)臭氧洞。
然而，上述解釋都有一定的片面性。大氣動(dòng)力學(xué)和太陽(yáng)活動(dòng)影響的解釋都不能說(shuō)明為什么臭氧洞在近年才發(fā)現(xiàn)，也不能解釋現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的全球性的臭氧總量下降。大氣化學(xué)過(guò)程解釋能說(shuō)明以上兩個(gè)情況，但無(wú)法解釋臭氧洞只在南極地區(qū)上空的春季被發(fā)現(xiàn)，而在北極地區(qū)上空并未被發(fā)現(xiàn)的事實(shí)，也無(wú)法解釋1988年春臭氧洞顯著減弱的現(xiàn)象。
近來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)事實(shí)，即，冬季，在南極地區(qū)平流層內(nèi)，因地表長(zhǎng)波輻射不斷冷卻，使得氣溫可以下降到零下78℃以下，而北極地區(qū)平流層內(nèi)達(dá)不到如此低的溫度。
初步研究證明，當(dāng)氣溫下 降到零下78℃以下時(shí)，大氣中的水汽吸收了硝酸分子后凝結(jié)，形成一種含硝酸的冰晶狀極地平流層云（簡(jiǎn)稱PSCs）。它首先形成PSCs Ⅰ型云。當(dāng)平流層溫度再降低幾度，純潔的水汽能夠在大氣中直接凝結(jié)（純水汽的霜點(diǎn)為-85℃）時(shí)，在PSCs Ⅰ型云的表面凝結(jié)一層硬的冰殼，形成了PSCs Ⅱ型云。Ⅱ型云的云粒子重，在幾個(gè)星期內(nèi)足以下降幾千米。由于PSCs中含有硝酸分子，會(huì)吸收氣態(tài)的氮?dú)�，使平流層中的氣態(tài)氮?dú)夂繙p少，這就削弱了氮?dú)鈱?duì)臭氧的保護(hù)作用。這是因?yàn)�，氮�(dú)饪梢允够顫姷穆然螒B(tài)（即ClOx變?yōu)橄趸龋趸仁呛茈y與臭氧起化學(xué)反應(yīng)、破壞臭氧的。再者，由于PSCs表面上的某種化學(xué)反應(yīng)，能產(chǎn)生大量活潑的氯基形態(tài)（ClOx），將O3分解為O2和O，破壞臭氧層。
上述這種解釋，初步能說(shuō)明臭氧洞能在南極地區(qū)上空形成而不是在北極地區(qū)上空發(fā)現(xiàn)的事實(shí)。
迄今為止，南極地區(qū)上空臭氧洞形成的過(guò)程和原因，還不能說(shuō)已經(jīng)清楚了，還需進(jìn)一步觀測(cè)和研究。
目前，要預(yù)測(cè)南極臭氧洞的變化還很困難。最主要原因是歷史資料的年代太短，只有30多年。如何反演臭氧總量歷史資料，已開(kāi)始引起科學(xué)家的關(guān)注。有人在1984年～1987年春測(cè)得南極點(diǎn)站降雪中的NO3值明顯比過(guò)去增加，其中以1987年值為最大。眾所周知，1984年～1987年春以來(lái)，南極臭氧總量年年下降，尤以1987年春的臭氧總量為最低；又知，在南極雪層中NO3值是比較穩(wěn)定的；因此，這種現(xiàn)象有可能是這樣引起的：在春季，南極平流層下部極地平流層云使硝酸鹽變成低氧化態(tài)隨雪下降的結(jié)果，如果春季降雪中NO3濃度值的增加與南極上空臭氧洞的加強(qiáng)有密切關(guān)系的話，則可有望從冰巖芯中測(cè)量NO3濃度值隨年代的變化來(lái)代表臭氧洞強(qiáng)度的年際變化，從而反演南極臭氧的歷史資料，為預(yù)測(cè)南極臭氧洞演變提供一個(gè)新的思路與方法。
如何防止臭氧洞再繼續(xù)擴(kuò)大，這更是社會(huì)關(guān)注問(wèn)題。
一般認(rèn)為，在人為因素中，工業(yè)上大量使用氟里昂氣體是破壞臭氧層的主要原因之一。通常，氟里昂是比較穩(wěn)定的物質(zhì)，然而，當(dāng)它被大氣環(huán)流帶到平流層（16公里～30公里）時(shí)，由于受太陽(yáng)紫外線的照射，容易形成游離的氯離子。這些氯離子非�；顫姡菀着c臭氧起化學(xué)反應(yīng)，把臭氧（O3）變成氧分子（O2）和氧原子（O），從而使臭氧總量減少，形成了臭氧洞。
據(jù)此，我們應(yīng)該限制氟里昂的使用量，逐漸在冰箱、汽車和空調(diào)等制冷器中用其它制冷劑來(lái)代替氟里昂。中國(guó)同其它先進(jìn)國(guó)家一樣，已經(jīng)開(kāi)始了這方面的工作，國(guó)家環(huán)保局已專門(mén)設(shè)有限制破壞臭氧層的科學(xué)管理機(jī)構(gòu)。
社會(huì)各界關(guān)心臭氧洞的變化，無(wú)疑會(huì)推動(dòng)保護(hù)臭氧層的工作。然而，臭氧洞到底有什么危害，它與人類和生物的關(guān)系是怎樣的呢？
本來(lái)，在離地20公里～30公里的大氣層內(nèi)，是臭氧集中分布的地帶，稱作臭氧層，太陽(yáng)輻射透過(guò)這層大氣時(shí)，大量的臭氧吸收了波長(zhǎng)較短的紫外線輻射（0.20微米～0.30微米波段），大大減弱了到達(dá)地面太陽(yáng)輻射中的紫外線強(qiáng)度。然而，若臭氧層的臭氧含量大大減少，則吸收太陽(yáng)紫外線輻射的能力減弱，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度會(huì)增大。從醫(yī)學(xué)上來(lái)說(shuō)，較短波的紫外線輻射殺傷能力最大，能殺死細(xì)胞，破壞生物細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，如染色體、脫氧核糖核酸等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生物的遺傳病，產(chǎn)生突變體，導(dǎo)致人類的皮膚癌。強(qiáng)烈的紫外線還可以穿透海洋10米～30米，使海洋浮游植物的初級(jí)生產(chǎn)力降低四分之三左右，抑制浮游動(dòng)物生長(zhǎng)。
人們一旦了解了臭氧洞的危害和形成原因，相信會(huì)對(duì)臭氧洞演變的預(yù)測(cè)和防止提出新的理論和方法。
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