臭氧層的作用

1、臭氧層的作用在離地面1050km的大氣平流層中，集中了大氣中約90%的臭氧，見圖1-1-2,其中離地22 25km臭氧濃度值達(dá)到最高，稱其為臭氧層。如果將地球上臭氧壓縮至1個大氣壓，其厚度僅有 3mm左右，就像是一件“厚度為3mm左右的宇宙服”。下面討論一下有關(guān)臭氧層的作用和分布變 化。圖 1-1-2一、臭氧層的作用大氣臭氧層主要有三個作用。其一為保護(hù)作用，臭氧層能夠吸收太陽光中的波長300 p m以 下的紫外線，主要是一部分UVB（波長290300p m）和全部的UVB（波長V290p m=，見圖1 -1-3和圖1-1-4,保護(hù)地球上的人類和動植物免遭短波紫外線的傷害。圖 1-1-3EM 2

2、00 衛(wèi)54)MO 550 -100 500MO 700 800 900圖 1-1-4只有長波紫外線UV-A和少量的中波紫外線UV-B能夠輻射到地面，長波紫外線對生物細(xì)胞的 傷害要比中波紫外線輕微得多。所以臭氧層猶如一件宇宙服保護(hù)地球上的生物得以生存繁衍。其 二為加熱作用，臭氧吸收太陽光中的紫外線并將其轉(zhuǎn)換為熱能加熱大氣，由于這種作用大氣溫度 結(jié)構(gòu)在高度50km左右有一個峰，地球上空1550km存在著升溫層。正是由于存在著 臭氧才有平 流層的存在。而地球以外的星球因不存在臭氧和氧氣，所以也就不存在平流層。大氣的溫度結(jié)構(gòu) 對于大氣的循環(huán)具有重要的影響，這一現(xiàn)象的起因也來自臭氧的高度分布。其三為溫

3、室氣體的作 用，在對流層上部和平流層底部，即在氣溫很低的這一高度，臭氧的作用同樣非常重要。如果這 一高度的臭氧減少，則會產(chǎn)生使地面氣溫下降的動力。因此，臭氧的高度分布及變化是極其重要 的。二、臭氧的分布和變化臭氧的分布如前圖1-1-2所示。低緯度地區(qū)臭氧峰值較高，而高緯度地區(qū)的臭氧峰值較低。臭氧總量隨季節(jié)變化，高緯度地區(qū)從冬季到春季的總量都大。從冬季到春季高緯度地區(qū)臭氧 總量變大是傳輸效果引起的，屬于力學(xué)作用。在低緯度平流層中生成的臭氧的大氣被傳送至高緯 度并沉降。由于這種運動在冬季到春季期間較為活躍，所以在這段時間內(nèi)的臭氧濃度較高。 上 述傳輸作用引起的臭氧變化只局限于平流層下部，但在高度3

4、035km的空間則相反，夏天的臭 氧濃度增高而冬天卻降低。這與夏天通過光化學(xué)反應(yīng)生成臭氧的速度較快是一致的，這便是所謂 的化學(xué)作用。臭氧層破壞的危害臭氧層耗減對全球環(huán)境造成的影響，只能是從最近10多年的環(huán)境情況與10多年前或更早年代的 情況相比，發(fā)現(xiàn)了某些特異的變化，就目前情況而言，還不能認(rèn)為已經(jīng)產(chǎn)生了明顯的嚴(yán)重后果。臭氧層的耗減產(chǎn)生的直接結(jié)果就是使太陽光中的紫外線UV-B達(dá)到地面的數(shù)量增加。臭氧層 耗減和UV-B輻射量之間的關(guān)系見圖1-3-1。通常認(rèn)為臭氧濃度降低1%，UV-B輻射量增加1 .5 2%。紫外線UV-B能破壞蛋白質(zhì)的化學(xué)鍵，殺死微生物，破壞動植物的個體細(xì)胞，損害其中的脫 氧核糖

5、核酸(DNA)，引起傳遞遺傳特性的因子變化，發(fā)生生物的變態(tài)反應(yīng)。下面就其對人類健康、 生物和環(huán)境等產(chǎn)生的危害予以介紹。圖 1-3-1第一節(jié) 對人類健康的影響適量的紫外線照射對人體的健康是有益的，它能增強(qiáng)交感腎上腺機(jī)能，提高免疫能力，促進(jìn) 磷鈣代謝，增強(qiáng)人體對環(huán)境污染物的抵抗力。但是長期反復(fù)照射過量紫外線將引起細(xì)胞內(nèi)的DNA 改變，細(xì)胞的自身修復(fù)能力減弱，免疫機(jī)能減退，皮膚發(fā)生彈性組織變性、角質(zhì)化以至皮膚癌變， 誘發(fā)眼球晶體發(fā)生白內(nèi)障等?？谝弧γ庖呦到y(tǒng)的影響中波紫外線UV-B的照射，對人體有許多影響。有的是積極的影響，適量的UV-B是維持人 類生命所必需的。但是長期接受過量紫外線輻射，將引起細(xì)

6、胞內(nèi)DNA改變，細(xì)胞的自身修復(fù)能 力減弱，免疫機(jī)制減退。對免疫系統(tǒng)的影響看來與膚色無關(guān)。由于紫外線輻射的增加，大量疾病 的發(fā)病率及嚴(yán)重程度都會大大增加。這些疾病包括麻疹、水痘、皰疹和其它引起皮疹的病毒性疾 病，通過皮膚傳染的寄生蟲?。ㄈ绡懠埠屠猜。⒓?xì)菌感染（如肺結(jié)核和麻瘋?。┖驼婢腥镜?。人體免疫系統(tǒng)中的一部分存在于皮膚內(nèi)，使得免疫系統(tǒng)可直接接觸紫外線照射。動物試驗發(fā) 現(xiàn)紫外線照射會減少人體對皮膚癌、傳染病及其它抗原體的免疫反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致對重復(fù)的外界刺 激喪失免疫反應(yīng)。人體研究結(jié)果也表明暴露于紫外線B中會抑制免疫反應(yīng)，人體中這些對傳染性 疾病的免疫反應(yīng)的重要性目前還不十分清楚。但在世界上

7、一些傳染病對人體健康影響較大的地區(qū) 以及免疫功能不完善的人群中，增加UV-B輻射對免疫反應(yīng)的抑制影響相當(dāng)大?？诙?、白內(nèi)障白內(nèi)障是形成在眼球晶體上的一層霧斑（晶狀體渾濁）。實驗證明紫外線能損傷角膜和眼晶 體，可引起白內(nèi)障、眼球晶體變形等。據(jù)分析，平流層臭氧減少1%，全球白內(nèi)障的發(fā)病率將增 加0.6%0.8%，全世界由于白內(nèi)障而引起失明的人數(shù)將增加10 00015 000人；如果不對紫外線 的增加采取措施，從現(xiàn)在到2075年，UV-B輻射的增加將導(dǎo)致大約1 800萬白內(nèi)障病例的發(fā)生。 三、皮膚癌紫外線UV-B輻射的增加，直接導(dǎo)致人類?；嫉娜N皮膚癌。前兩種是Basal和鱗狀皮膚癌， 這種非惡性癌每

8、年在美國大約有50萬患者，如果發(fā)現(xiàn)及時，這種病可以治好，很少有人死于此 病。美國環(huán)境保護(hù)局估計臭氧每減少10%，這兩種皮膚癌的發(fā)病率就提高26%。惡性黑瘤比較 少見，它與紫外線輻射有關(guān)，其機(jī)理知之甚少。每年大約有25 000人患此病。這種病比較危險， 每年大約有5 000人死于此病。每個細(xì)胞里的遺傳物質(zhì)（脫氧核糖核酸）都對紫外線很敏感，脫氧 核糖核酸的損傷會殺死細(xì)胞或?qū)⑵渥兂砂┘?xì)胞。白色皮膚的人對太陽光缺乏自然保護(hù)，他們更容 易患皮膚癌。據(jù)計算，臭氧每減少1%，非黑色素瘤皮膚癌就增加3%。按美國當(dāng)今在世人口計算， 良性黑色素瘤的病例將增加45萬例，惡性黑色素瘤的病例將增加1，000例。未來數(shù)代

9、受害將更 加嚴(yán)重。在靠近南極的澳大利亞，皮膚癌發(fā)病率增加了 3倍，近年來在那里也一直在討論有關(guān)“臭 氧警告”的問題。為了防止紫外線對人體皮膚和眼睛造成損害，應(yīng)避免強(qiáng)烈地日曬，戶外活動和工作應(yīng)穿著長 衣長褲，或使用防止紫外線的防曬油涂抹身體裸露部分。為避免角膜炎和白內(nèi)障，應(yīng)佩戴能過濾 紫外線的眼鏡?？诘诙?jié)對陸生植物的影響臭氧層耗減，對植物和動物生長的影響，人們了解還不很多，較之對人體的影響了解更少。已 作過的一些研究也尚難做出合理的解釋。臭氧耗減對農(nóng)作物的危害做定量預(yù)測，也由于其它環(huán)境 因素的參與變得十分困難。但綜合考察還是給我們啟示了未來可能的影響。對某些農(nóng)作物的研究表明，紫外線UV-B輻射

10、增加會引起某些植物物種和化學(xué)組成發(fā)生變化， 影響農(nóng)作物在光合作用中捕獲光能的能力，造成植物獲取的營養(yǎng)成份減少，生長速度減慢。研究 過的植物中，紫外線對其中的50%有不良影響，尤其是像豆類、瓜類、卷心菜一類的植物更是 如此。西紅柿、土豆、甜菜、大豆等農(nóng)作物，由于紫外線UV-B輻射的增加，還會改變細(xì)胞內(nèi)的 遺傳基因和再生能力，使它們的質(zhì)量下降。一項研究表明，如果臭氧減少25%，則大豆的產(chǎn)量 會下降20%25%，大豆的蛋白質(zhì)含量和含油量也會降低。紫外線輻射的增加對林業(yè)也有影響。通過對10個種類的針葉樹幼苗進(jìn)行研究，結(jié)果表明其中 3個品種受紫外線UV-B輻射的影響而產(chǎn)生不良后果，其所受影響的程度也與預(yù)

11、測方案相吻合。植物的生理和進(jìn)化過程都受到UV-B輻射的影響，并與UV-B輻射的量有關(guān)。植物也具有一 些緩和和修補這些影響的機(jī)制，在一定程度上可以適應(yīng)UV-B輻射的變化。不管怎樣，植物的生 長直接受UV-B輻射的影響，不同種類的植物，甚至同一種不同栽培品種的植物對UV-B的反應(yīng) 都是不一樣的。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，就需要種植耐受UV-B輻射的品種，并同時培養(yǎng)新品種。對森林和 草地，可能會改變物種的組成，進(jìn)而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布。UV-B輻射帶來的間接影響，例如植物形態(tài)的改變，植物各部位生物質(zhì)的分配，各發(fā)育階段 的時間及二級新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大，甚至更為嚴(yán)重。這些對植物

12、的競 爭平衡、食草動物、植物致病菌和生物地球化學(xué)循環(huán)等都有潛在影響，這方面的研究工作尚處起 步階段。第三節(jié)對水生生物的影響世界上30%以上的動物蛋白質(zhì)來自海洋，滿足人類的各種需求。在許多國家，尤其是發(fā)展中 國家，這比例往往還更高。因此很有必要知道紫外線輻射增加后對水生生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。此外，海洋在與全球變暖有關(guān)的問題中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大氣 中CO2的一個重要的消除途徑，它們對未來大氣中CO2濃度的變化趨勢起著決定性的作用。 海洋對CO2氣體的吸收能力降低，將導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。海洋浮游植物并非均勻分布在世界各大洋中，通常高緯度地區(qū)的密度較大，熱帶和亞熱帶地 區(qū)的密度

13、要低10100倍。除可獲取的營養(yǎng)物、溫度、鹽度和光外，在熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍存 在的陽光UV-B的含量過高的現(xiàn)象也在浮游植物的分布中起著重要作用。浮游植物的生長局限在光照區(qū)，即水體表層有足夠光照的區(qū)域，生物在光照區(qū)的分布地點受 到風(fēng)力和波浪等作用的影響。另外，許多浮游植物也能夠自由運動以提高生產(chǎn)力保證其生存。暴 露于陽光UV-B下會影響浮游植物的定向分布和移動，因而降低了這些生物的存活率。研究人員測定了南極地區(qū)UV-B輻射及其穿透水體的量的增加，證據(jù)證實天然浮游植物群落 與臭氧的變化直接相關(guān)。對臭氧空洞范圍內(nèi)和臭氧空洞以外地區(qū)的浮游植物進(jìn)行比較的結(jié)果表 明，浮游植物生產(chǎn)力下降與臭氧減少造成的U

14、V-B輻射增加直接有關(guān)。一項研究表明，在冰川邊 緣地區(qū)的生產(chǎn)力下降了 6%12%。由于浮游生物是海洋食物鏈的基礎(chǔ)，浮游生物種類和數(shù) 量 的 減少還會影響魚類和貝類生物的產(chǎn)量。另一項科學(xué)研究的結(jié)果顯示，如果平流層臭氧減少了 25%， 浮游生物的初級生產(chǎn)力將下降10%，這將導(dǎo)致水面附近的生物減少35%。研究發(fā)現(xiàn)陽光中的UV-B輻射對魚、蝦、蟹、兩棲動物和其它動物的早期發(fā)育階段都有危害 作用，最嚴(yán)重的影響是繁殖力下降和幼體發(fā)育不全。即使在現(xiàn)有的水平下，浮游植物和動物也已 經(jīng)受到了紫外線的損害。紫外線B的照射量很少量的增加就會導(dǎo)致海洋生物的顯著減少。盡管已有確鑿的證據(jù)證明UV-B輻射的增加對水生生態(tài)系

15、統(tǒng)是有害的，但目前還只能對其潛 在危害進(jìn)行粗略的估計。第四節(jié)對城市環(huán)境和建筑材料的影響一、使城市環(huán)境惡化過量的紫外線除了直接危害人類和生物機(jī)體外，還會使城市環(huán)境惡化，進(jìn)而損害人體健康，影 響植物生長和造成經(jīng)濟(jì)損失。城市工業(yè)在燃燒礦物燃料時排放的氧化氮，與某些工業(yè)和汽車所排 放的揮發(fā)性有機(jī)物，同時在紫外線照射下會更快地發(fā)生光氧化反應(yīng)，生成臭氧、過氧化烯烷基硝 酸酯等產(chǎn)物，從而造成城市內(nèi)近地面大氣的臭氧濃度增高，引起光化學(xué)煙霧污染。近地面臭氧濃度過高，吸入人體會導(dǎo)致肺功能減弱和組織損傷，引起咳嗽、鼻咽刺激、呼吸 短促和胸悶不適等。近地面的臭氧和過氧化烯烷基硝酸酯能損害植物葉片，抑制光合作用，使農(nóng)作

16、物減產(chǎn)，森林或 樹木枯萎壞死，其危害甚至比酸雨還大。近地面臭氧濃度增高，還使聚合物材料加速老化。據(jù)美國環(huán)保局估計，當(dāng)臭氧耗減25%時，城市光化學(xué)煙霧的發(fā)生幾率將增加30%，聚合物材 料等老化的經(jīng)濟(jì)損失將高達(dá)47億美元。二、對建筑材料的破壞因平流層臭氧損耗導(dǎo)致陽光紫外線輻射的增加會加速建筑、噴涂、包裝及電線電纜等所用材 料，尤其是聚合物材料的降解和老化變質(zhì)。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區(qū)，這種破壞 作用 更為嚴(yán)重。由于這一破壞作用造成的損失估計全球每年達(dá)到數(shù)十億美元。無論是人工聚合物，還是天然聚合物以及其它材料都會受到不良影響。當(dāng)這些材料尤其是塑 料用于一些不得不承受日光照射的場所時，只能靠加入光穩(wěn)定劑和抗氧劑或進(jìn)行表面處理以保護(hù) 其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會加速這些材料的光降解，從而限制了它們的使用壽 命。研究結(jié)果已證實中波UV-B輻射對材料的變色和機(jī)械完整性的損失有直接的影響。在聚合物的組成中增加現(xiàn)有光穩(wěn)定劑和抗氧劑的用量可能緩解上述影響，但需要滿足下面三 個條件：（1）在陽光的照射光譜發(fā)生了變化即UV-B輻射增加后，該光穩(wěn)定劑和抗氧劑仍然有效； （2）該光穩(wěn)定劑