原创臭氧空洞形成原因探索

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自20世纪80年代发现南极上空存在臭氧空洞以来，臭氧层保护已成为科学家和公众关注的热门话题。目前，人们大都将臭氧层的形成归咎于CFC气体，即氟利昂。[1]虽然也有学者对臭氧空洞的形成提出了不同的解释，但由于这些理论不像“氟利昂元凶论”那么“环保”，所以，没能得到多数科学家的赞许，也没能引起公众的注意。

笔者认为，氟利昂可导致臭氧的减少应该是不争的事实，但是臭氧空洞形成的主因则未必是氟利昂。原因有三：一是南极臭氧空洞均出现在南极的春季（即9～10月），其它季节臭氧含量一般趋于正常。而氟利昂一年四季都存在于大气中，如果臭氧空洞因氟利昂所致，那么臭氧空洞应该不只出现在9～10月。二是北半球的大陆面积和人口占全球的大部分，排放的氟利昂也占总量的大部分。如果是氟利昂造成臭氧空洞，那么臭氧空洞应该出现在北极,而非南极，或者至少是北极的臭氧空洞比南极大，而实际情况恰恰相反。三是除了南极（9～10月）出现臭氧空洞以外，北极（2～3月）和青藏高原（6～9月）的臭氧含量也明显下降。[2]难道全球各地排放的氟利昂都集中到了这三个地方，而其它地方没有？

任何一个符合实际的关于臭氧空洞形成的解释，至少必须同时能够回答上述这些问题。

本文通过对地球大气的电化学环境进行研究，分析了地球大气臭氧形成的条件及变动的原因，提出了大量电子进入平流层破坏那里的氧化环境是臭氧空洞形成主要原因的假说，较好地解释了所观察到臭氧空洞现象和地球低层大气臭氧的时空变化。

1.1大气电场的形成

研究表明，在晴天，整个地球大气存在着一个自上而下的电场，也就是说，高空大气相对于地面具有２.９×105V的正电压。这说明大气是带正电的。[3]

大气电场的形成机制是：宇宙线和太阳紫外线在不停地轰击地球大气层，使地球表层的大气分子电离成正离子和电子。大气分子在电离的同时，还会发生与电离相反的复合过程，使正离子与电子（或负离子）结合成中性分子。所以，地球表面的大气在不断地进行着电离和复合反应，处于一种动态的平衡之中。但是，由于大气电场的存在，电离和复合作用并不会在同一处（或同一高度）进行。在“烟囱效应”和大气电场的作用，质量轻的电子在被光子或宇宙线撞出原子或分子后，便向上运动，与上层大气中的正离子复合。正离子则受大气电场阻滞，其运动大大滞后于电子，所以当电子上升后，就会在下层大气中留下正离子，使下层大气带上正电荷。[4]下层大气的正离子又与下下层大气光致电离所产生的电子复合，如此反复循环，就在大气中形成一个自上而下的电流。这种大气电流的形成，类似于半导体的“空穴”导电。

由于大气电离作用对宇宙线和太阳紫外线的拦截，使得到达底层的宇宙线和太阳紫外线越来越少。其结果是电离作用也越来越弱。这样就会使下层大气电离所产生的电子，不足以补充上层大气电离所失去的电子。久而久之，就会在大气中形成过剩正电荷。如果没有其它途径给大气补充电子，那么要不了多久，大气就会形成大量过剩正电荷，并且随时间的推移过剩电荷会不断增加。研究表明，大气中的过剩正电荷并不随时间的推移而增加，而是时而增加，时而减少，但在大的时间尺度上是基本稳定的。这说明大气中的电子在不断地得到补充。[5]

1.2大气电子的补充

地球表面含有大量的金属矿物质，自由电子特别丰富。当太阳光照射到地面时，就会产生光电效应，从金属矿物质表面逸出光电子。[6]逸出的光电子的数量随太阳光的频率的增加而增加，与太阳光的强度（或照射的时间）无关。同时，在绿色植物的光合作用中也会释放一些电子到大气中。当太阳光子击中叶绿素时，叶绿素中的电子就会发生各种跃迁,使光能变成电能。正是这种电能在叶绿体内制造了ATP(三磷酸腺苷),进而合成了各种糖类。由于光合作用有许多电子参与，而且这些电子能量极高，十分活跃,犹如金属原子中的自由电子，所以，它们极易在太阳光子的轰击下离开叶绿体，逃逸到大气中。因此，光合作用也能产生光电子。[7]

一方面，光电效应和光合作用产生的光电子，在大气电场的作用下，由地表向上运动，不断地给各个高度的大气补充电子，另一方面，由于大气电场和带电离子的存在，大气中也存在微弱的漏电电流，为高空大气补充电子，从而使大气的电性始终保持在一个相对稳定的水平。

1.3电荷在极地上空聚集

晴天状态下的电子通过“空穴”导电，运动到电离层后，就在地磁场的作用下沿地磁场磁力线方向向南极运动；另有一些带正电荷的离子则向北极运动。同时，地球磁场还使进入高空大气层的宇宙高速带电粒子向极区偏转，汇聚到南、北磁极附近，由于受到空气的电阻绝缘及热阻滞作用，带电粒子通常会长时间地滞留在南、北磁极外围高空的大气中，从而在南极上空形成一股浓密的电子相对过剩的带电粒子云，在北极上空则形成一股浓密度相对弱一些的正电荷相对过剩的带粒子云。[8]

臭氧层的形成必须具备两个条件：

一是生成条件，即要有不断产生臭氧的源泉。在平流层，太阳紫外线比较强，能不断地将氧气（O2）转变成臭氧（O3）。即

太阳紫外辐射

3O2---------------2O3

如果没有氧和强烈的太阳紫外辐射，臭氧就不可能大量地生成。

二是存在的环境条件。臭氧（O3）是具有强氧化性的物质，只能存在于氧化性环境，不能存在于还原性环境。平流层（或者高层大气）存在大量的带正电荷的离子,它们在此营造了一个良好的氧化环境,为臭氧的“保存”创造了必要的条件。如果平流层不是带有大量的净的正电荷，而是带有净的负电荷，或者存在大量的还原性物质（如烃类），那么,产生的臭氧就会被还原物所破坏,形成氧气和负氧离子(O-2)。

O3 + 2e------ O2 + O-2

这时，即使臭氧能够源源不断地产生，也会不断地分解消失，不可能形成一个稳定的臭氧层。

在平流层之上的电离层,气体分子都电离成正负离子，不可能存在氧原子,因此也不可能形成臭氧分子。在平流层下的对流层，由于太阳紫外线较少,强度较弱,也不可能形成大量的臭氧分子。所以,在地球上空的平流层中之所以能够形成一个保护地球生命的臭氧层，是与那里的电化学环境条件分不开的。

3.1南极臭氧空洞的成因

一方面，在南极的春季（9～10月）到来之时，南极大陆上空的平流层会形成一个环极涡旋，此涡旋的活动会扰动上面的电离层，破坏带电粒子云的受力平衡，导致电子相对过剩的带电粒子云进入平流层，随涡旋一起运动，从而使平流层的氧化环境遭到破坏，臭氧难以存在下去，含量不断减少。

另一方面，在南极大陆的春季，当南极高压增强时，密度很大的冷凝气团就随着产生。这种气团从高空向低空下降，到达内陆冰原斜坡带后沿着光滑的冰面急剧下滑，形成速度极大的冷风气团，这就是南极大陆所独有的下降风。下降风一般可达30～50m/s，最高记录为92.5m/s。[9]下降风“抽空”了对流层顶的大气，导致平流层的大气大量涌入；由于环极涡旋阻隔了中低纬度平流层大气补充到南极，使南极电离层趁势下降侵入平流层（这相当于将带电的导体插入平流层），加上极地开放磁层对高空带电粒子毫无阻饶，从而将电离层的电子源源不断地导入平流层，使平流层的氧化环境遭到破坏，大量臭氧被消耗，于是形成臭氧空洞（1）。

当环极涡旋消失后，中低纬度平流层大气补充到南极，使南极恢复氧化环境（即带净正电荷状态）。最后，在太阳紫外线作用下形成的臭氧又能够“存储”起来，形成新的臭氧层。人们已经观测到，当南极的9月平流层顶的臭氧消失时，大量的臭氧却向下扩散到5～6km高的低层。[10]这正是平流层大气大量涌入对流层的证据。

3.2北极臭氧空洞的成因

北极地区的冬季，一方面无阳光照射，臭氧的产量极少，另一方面，其环极涡旋导致电离层中的离子进入平流层，同样对臭氧层有破坏作用。但是，由于北极上空的离子为净正电荷离子，负电荷离子大大少于南极地区，使平流层总的氧化环境没有遭到彻底破坏，同时北极地区的环极涡旋强度和持续的时间都不及南极，所以北极上空臭氧的损失不如南极厉害。在北极地区形成的臭氧空洞面积较小，持续的时间也较短。

3.3青藏高原臭氧减少的原因

20世纪90年代，我国学者研究发现，在6～9月间，青藏高原上空的臭氧总量存在异常低值中心，最低值比周围少10%左右。[2]由此可见，青藏高原上空臭氧的减少明显不同于南北两极，它出现在日照量最大，紫外线最强的夏季。这是因为日照量增大和紫外线的增强，使青藏高原上的光合作用和光电效应显著增强，青藏高原是离平流层最近的地球“尖端”，这里的光合作用和光电效应产生的大量电子很容易抵达平流层，从而破坏那里的氧化环境，使臭氧量减少。全球臭氧分布的最低值在热带，最高值在极地附近[10]以及我国臭氧分布“南低北高”，且“冬季梯度大，夏季梯度小”的总特征[11]与青藏高原臭氧异常低值中心具有类似的起源。丁国安等人曾在同一时间对黑龙江龙凤山和浙江临安地面附近的臭氧进行观测，发现植被较好的龙凤山臭氧平均含量大大低于植被较差的临安。[12]汤洁等人在对青海瓦里关山的观测中，发现地面附近臭氧的最低值多半出现在中午前后。[13]这些正是光合作用和光电效应产生的光电子破坏了臭氧的结果。

本文的讨论和推理均基于物理、化学理论和观测事实，具有较强的逻辑性和可信性，但它仍然只是一种假说，关于两极上空 “带电粒子云”的存在还缺乏强有力的证据，极地电离层电子导入平流层也有待实验的验证。虽然如此，但它与目前关于臭氧空洞形成的主导理论——“氟利昂说”相比，能够解释更多的观测事实和现象.