特定氣候條件形成的催化反應(yīng)

「氯貯存物質(zhì)」與 催化反應(yīng)

　　氟里昂進(jìn)入平流層后在強(qiáng)烈的紫外輻射作用下，釋放出一個(gè)氯原子：CCl₃F+hv→ CCl₂F+Cl。這個(gè)釋放出的氯原子，用數(shù)個(gè)月的時(shí)間通過催化反應(yīng)，就可以使10萬個(gè)臭氧分子消失。首先，氯與臭氧反應(yīng)，生成氧化氯自由基：Cl+O₃ →ClO+O₂，自由基ClO非�；顫�，與同樣活潑的氧原子反應(yīng)，生成氯和穩(wěn)定的氧分子：ClO+O→Cl+O₂。釋放出的氯原子又和臭氧產(chǎn)生反應(yīng)，因此，氯原子一方面不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應(yīng)中不斷再生，形成催化反應(yīng)。但是注意到，進(jìn)入平流層還有其它微量氣體，例如甲烷（CH₄）和二氧化氮（NO₂），氯原子和它們分別作用產(chǎn)生氫氯酸（HCl）和硝酸氯（ClONO₂）,這些物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不活潑，不會(huì)釋放出氯原子，稱為「氯貯存物質(zhì)」，阻斷了氯原子再生功能，在臭氧分解反應(yīng)方面氯原子不再具有催化功能。單純從化學(xué)的角度來看，氟里昂對(duì)臭氧的破壞有限。

　　既然，氟里昂在平流層可以形成「氯貯存物質(zhì)」，為什么還有臭氧洞？

　　氟里昂主要由北半球工業(yè)化國家排出，北半球大氣中氟里昂濃度也高于南半球，那么至今最大的臭氧洞卻出現(xiàn)在南極而不是其它地方？

三水硝酸極地平流層云的形成和化學(xué)催化反應(yīng)

　　平流層空氣極為干燥，相對(duì)濕度只有1%左右，幾乎沒有云、雨等天氣現(xiàn)象，但是在漫長的極地冬夜期間，仍會(huì)因嚴(yán)寒形成極地平流層云。

　　在南極的6月，極夜的冬季來臨，沒有太陽加熱，氣溫常會(huì)下降至-80℃左右，平流層的三水硝酸（NHO₃·3H₂O）在-78℃的條件下就會(huì)包圍住直徑約0.1微米的硫酸微粒，形成直徑約1微米的顆粒，但是顆粒細(xì)小，而且比較分散，常常大規(guī)模地生成，有時(shí)分布范圍可達(dá)數(shù)千公里，組成一種肉眼看不見的極地平流層云。

　　這些硫酸微粒部分起源于人類活動(dòng)，有些則是天然的。例如1982年墨西哥艾爾奇肯火山爆發(fā)，把500萬噸左右的硫化物直接噴入平流層。

　　冬季極地氣溫繼續(xù)下降至-83℃以下，水汽就會(huì)附著在三水硝酸顆粒表面，凝結(jié)成冰粒。三水硝酸組成的極地平流層云就會(huì)繼續(xù)發(fā)展成另外兩種冰粒組成的極地平流層云。如果氣溫快速下降，冰粒直徑約為兩微米左右，密集分布，在陽光折射下，出現(xiàn)珍珠般光澤，這種極地平流層云因此稱為貝母云。如果氣溫緩慢下降，冰粒直徑大約為10微米，生成的冰粒密度較稀，這種平流層云不如貝母云明顯可見，肉眼勉強(qiáng)可見。

　　由三水硝酸、小冰粒、大冰粒組成的三種極地平流層云在南極比北極更常見，其中三水硝酸極地平流層云在南極最普遍。三水硝酸極地平流層云不僅把氯貯存物質(zhì)吸收到顆粒的界面上，并且產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，釋放氯氣：ClONO₂+HCl→Cl₂+HNO₃。一旦9月來臨，南極春季陽光普照，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，活潑的氯氣被分解成兩個(gè)氯原子：Cl₂+hv→Cl+Cl。由于生成三水硝酸消耗大量的氮氧化物，并且三水硝酸極地平流層云的冰粒界面產(chǎn)生氫氯酸和硝酸氯的化學(xué)反應(yīng)，既消耗氯貯存物質(zhì)又消耗它的生成物質(zhì)。氯原子和臭氧分子產(chǎn)生的氧化氯自由基沒有反應(yīng)物，自行結(jié)合成二聚物ClOOCl，在紫外線照射下這個(gè)二聚物很快分解成兩個(gè)氯原子，再次開始分解臭氧的反應(yīng)：
　　Cl+O₃→ClO+O₂ 
　　ClO+ClO→ClOOCl 
　　ClOOCl+hv→Cl+ClOO 
　　ClOO→Cl+O₂
　　Cl+O₃→ClO+O₂ 

上述五個(gè)反應(yīng)方程內(nèi)，反應(yīng)物和生成物等量相互置換的有：Cl、ClO、ClOOCl、ClOO，所以，凈反應(yīng)方程是：O₃+O₃→3O₂。

臭氧分解催化反應(yīng)示意圖

　　由此可見，在三水硝酸極地平流層云的環(huán)境內(nèi)，氯原子才能取得催化者的角色，以不同的形式再參與不同的化學(xué)反應(yīng)，一個(gè)氯原子最終破壞10萬個(gè)臭氧分子。

　　圖中不同顏色小球代表不同元素的原子，綠色代表氯原子，紫色代表碳原子，紅色代表氟原子，蘭色代表氧原子。

極地渦旋和極地平流層云的相互作用

　　圍繞極地旋轉(zhuǎn)的閉合風(fēng)系，外觀上呈現(xiàn)出渦旋狀態(tài)叫做極地渦旋。每年大約5、6月間，在南極冬季開始的時(shí)候，強(qiáng)烈的冷氣團(tuán)形成圍繞南極的閉合風(fēng)系，出現(xiàn)極地渦旋。大約到11月，氣溫回升時(shí)，極地渦旋才會(huì)崩潰。

　　由于極地渦旋風(fēng)速強(qiáng)勁，渦旋內(nèi)部的空氣與外部大氣完全隔離，從低緯地區(qū)吹來的風(fēng)，雖然向南極輸送大量溫暖富含臭氧的空氣，也無法進(jìn)入渦旋內(nèi)部，使氣溫上升，因此，渦旋內(nèi)部氣溫只降不升，迅速達(dá)到極地平流層云的形成條件，臭氧分解。

衛(wèi)星觀測的渦旋云系

　　臭氧一旦分解，停止吸收紫外線，渦旋內(nèi)部空氣也就失去加熱的熱源，氣溫進(jìn)一步下降，極地平流層云得到發(fā)展，同時(shí)強(qiáng)化了極地渦旋，使它保持穩(wěn)定狀態(tài)。

　　極地平流層云與極地渦旋的相互作用使雙方得到加強(qiáng)，科學(xué)家把這種相互作用稱為正反饋機(jī)制，使南極臭氧含量在每年大約10月達(dá)到最低點(diǎn)，之后，隨著溫度回升，渦旋瓦解，極地平流層云也隨之消融，南極臭氧量逐漸升高。

［上一頁］［下一頁］