淺談光學(xué)系統(tǒng)中的臭氧

淺談光學(xué)系統(tǒng)中的臭氧

臭氧層的破壞是人類(lèi)現(xiàn)在面臨的主要環(huán)境問(wèn)題之一。許多科學(xué)家認(rèn)為，過(guò)度使用氟氯烴（cfbs）是臭氧層破壞的主要原因之一。臭氧層變薄意味著到達(dá)地表的太陽(yáng)紫外線增強(qiáng)。較強(qiáng)的紫外線輻射,會(huì)傷害人的皮膚、眼睛,損壞人的免疫系統(tǒng),還會(huì)對(duì)糧食作物、陸生生物及水生生物造成危害。因此,了解臭氧層破壞的原因,及其對(duì)人類(lèi)及生物的危害,有助于增強(qiáng)人們的環(huán)境意識(shí),避免人類(lèi)遭受臭氧層破壞所帶來(lái)的災(zāi)難。筆者介紹了臭氧層破壞的機(jī)理,分析了其對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生的影響,并提出了相關(guān)的保護(hù)對(duì)策,以期增強(qiáng)人們對(duì)臭氧層的正確認(rèn)識(shí),以及為保護(hù)臭氧層提供借鑒。1u3000臭氧與臭氧相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)平衡臭氧由3個(gè)氧原子(O3)構(gòu)成,而氧氣由2個(gè)氧原子(O2)構(gòu)成。自然界中的臭氧,大多分布在距地面20~50km的大氣中,將其稱(chēng)之為臭氧層。臭氧層中的臭氧主要來(lái)源于紫外線。太陽(yáng)光線中的紫外線分為長(zhǎng)波和短波,當(dāng)大氣中(含有21%)的氧氣分子受到短波紫外線照射時(shí),氧分子會(huì)分解成原子狀態(tài)。氧原子的不穩(wěn)定性極強(qiáng),極易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如與H2反應(yīng)生成H2O,與C反應(yīng)生成CO2。同樣,與O2反應(yīng)時(shí),便形成了O3。臭氧形成后,由于其比重大于氧氣,會(huì)逐漸向臭氧層的底層降落,在降落過(guò)程中隨著溫度的上升,臭氧不穩(wěn)定性越加明顯,再受到長(zhǎng)波紫外線的照射,再度還原為氧。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)平衡。由于臭氧和氧氣之間的平衡,在大氣中形成了一個(gè)較為穩(wěn)定的臭氧層。臭氧層是指在大氣平流層中距地面20~25km的特殊大氣層,這一大氣層的臭氧含量特別高,含量接近0.01mg/ml,高空大氣層中約有90%的臭氧集中在臭氧層,而大氣中平均臭氧含量大約僅為0.0003mg/ml。太陽(yáng)光中也存在對(duì)生物生存有害的紫外線,按生物效應(yīng)的不同,可將太陽(yáng)光中的紫外線分為3類(lèi):弱效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-A,320~400nm,對(duì)生物影響不大)、強(qiáng)效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-B,280~320nm,對(duì)生物有殺傷作用)和超強(qiáng)效應(yīng)波長(zhǎng)(UV-C,200~280nm,屬滅生性輻射)。通常情況下,大氣平流層中的臭氧幾乎吸收了全部的UV-C和90%左右的UV-B。臭氧層是地球的“保護(hù)傘”,因此,臭氧層的破壞會(huì)對(duì)生活在地球上的生物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。2cfcs氣體的擴(kuò)散作用1974年美國(guó)科學(xué)家Rowland和Molina認(rèn)為,同溫層滲入了氟氯甲烷、氯原子對(duì)臭氧具有催化破壞作用。在平流層的臭氧層中,在太陽(yáng)紫外線的照射下,有如下反應(yīng)平衡:O3?hvO2+OΟ3?hvΟ2+Ο由于排放出來(lái)的CFCS氣體具有非常穩(wěn)定的特點(diǎn),在大氣對(duì)流層中幾乎完全不分解,所以能夠擴(kuò)散到大氣平流層中,當(dāng)其受到來(lái)自太陽(yáng)的紫外輻射時(shí),就會(huì)發(fā)生碳-氯鏈斷裂的光化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生氯原子,如CFCl3?→??hvCFCl2+ClCFCl3→hvCFCl2+Cl接著Cl會(huì)引發(fā)一系列破壞臭氧的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)Cl+O3?→??hvClO+O2ClO+O?→??hvCl+O2Cl+Ο3→hvClΟ+Ο2ClΟ+Ο→hvCl+Ο2凈反應(yīng)為:O+O3?→??hv2O2Ο+Ο3→hv2Ο2其作用機(jī)制見(jiàn)圖1。相關(guān)研究表明,1個(gè)氯原子引發(fā)的這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)大約可以破壞10萬(wàn)個(gè)臭氧分子,所以CFCS氣體的排放致使O3不斷消耗,從而使臭氧失去其吸收紫外線的性能。3臭氧層的破壞對(duì)自然界的影響3.1uv-b紫外線輻射臭氧量的減少、臭氧層的被破壞使到達(dá)地面的紫外線輻射量增加。其中UV-B紫外線波段增加更多。UV-B紫外線輻射的增加,將會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生很大影響。相關(guān)研究表明,紫外線除了在人類(lèi)皮膚中產(chǎn)生VD外,未發(fā)現(xiàn)其他有益效應(yīng)。紫外線對(duì)人體的危害卻較大。主要表現(xiàn)在影響人類(lèi)皮膚、眼睛及免疫系統(tǒng)。3.1.1皮膚急性毒性臨床診斷表明,夏天接受過(guò)量的太陽(yáng)光照射易造成皮膚病。動(dòng)物試驗(yàn)和臨床病例研究表明,過(guò)量UV-B紫外線照射易引發(fā)人體皮膚癌。紫外線輻射最主要的影響是在太陽(yáng)照射下對(duì)皮膚的灼傷。對(duì)大多數(shù)人來(lái)講,接受2d的暴曬,皮膚會(huì)變成褐色,這是由于紫外線輻射容易使皮膚產(chǎn)生黑色素,并沉著于皮膚色素細(xì)胞而形成的。接受紫外線輻射一定時(shí)間后破壞皮膚組織的連接,導(dǎo)致皮膚增厚,出現(xiàn)皺紋和皮膚彈性減少。紫外線輻射增加了患皮膚癌的機(jī)率。3.1.2uv-b紫外線輻射法白內(nèi)障是人眼中晶狀體的不透明物。據(jù)世界衛(wèi)生組織1985年估計(jì),白內(nèi)障造成全球1700萬(wàn)人失明(約占總失明人數(shù)的50%)。過(guò)量的紫外線輻射被認(rèn)為是白內(nèi)障增加的主要原因。大量動(dòng)物試驗(yàn)表明,UV-B紫外線輻射能損害眼角膜和晶狀體,導(dǎo)致眼睛混濁。當(dāng)部分紫外線輻射抵達(dá)眼睛的后部,會(huì)使視網(wǎng)膜細(xì)胞緩慢惡化,尤其是近視者。研究表明,紫外線的增加對(duì)人類(lèi)白內(nèi)障有一定影響,當(dāng)臭氧減少1.0%,白內(nèi)障增加約0.5%,強(qiáng)紫外線輻射同樣可以引發(fā)角膜炎(如雪盲)。這類(lèi)影響的征兆包括眼睛變紅,對(duì)光線的易敏感,愛(ài)流淚,感覺(jué)嚴(yán)重有異物和疼痛。眼外傷在3~12h暴曬后顯現(xiàn)。由于眼睛細(xì)胞的快速再生能力,癥狀在幾天后消失。長(zhǎng)時(shí)間的紫外線輻射會(huì)導(dǎo)致角膜永久性損傷。3.1.3皮膚免疫抑制作用皮膚是一個(gè)重要的免疫器官,免疫系統(tǒng)的某些成分存在于皮膚中,皮膚暴露于紫外線輻射下能擾亂免疫系統(tǒng),導(dǎo)致一些疾病。UV-B誘發(fā)皮膚免疫抑制的研究發(fā)現(xiàn),不僅含色素少的人發(fā)生,含色素多的人亦可發(fā)生。由于免疫抑制,單純皰疹、利什曼病、結(jié)核及念株菌病等疾病將會(huì)增加或者癥狀?lèi)夯?.2影響植物3.2.1臭氧對(duì)糧食品質(zhì)的影響紫外線輻射的增強(qiáng),將導(dǎo)致農(nóng)作物(如小麥、水稻等)減產(chǎn),減少地球的食物鏈,并會(huì)導(dǎo)致糧食質(zhì)量降低。相關(guān)試驗(yàn)表明,當(dāng)臭氧減少25%時(shí),大豆產(chǎn)量會(huì)減少20%~25%,大豆中的蛋白質(zhì)和植物油的含量則分別下降2%和5%。據(jù)美國(guó)預(yù)測(cè),如對(duì)CFC的消耗量不加以限制,到2075年農(nóng)作物將減產(chǎn)7.5%。3.2.2uv-b處理近年來(lái),研究者通過(guò)對(duì)植物受環(huán)境UV輻射的影響進(jìn)行了大量研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在光合作用和呼吸作用過(guò)程中,UV輻射能降低大多數(shù)C3植物的凈光合速率,而C4植物對(duì)UV不太敏感。UV造成光合速率下降的原因是由于氣孔阻力的增大或氣孔的關(guān)閉所致。同時(shí),還發(fā)現(xiàn),UV可以通過(guò)破壞光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心,抑制PSⅡ聯(lián)系的電子傳遞,使環(huán)式磷酸化解偶連作用等直接傷害來(lái)影響植物的光合能力。在水分生理方面,UV使氣孔關(guān)閉,而導(dǎo)致大豆、黃瓜、向日葵葉片蒸騰速率的下降?？的塑敖?jīng)UV-C照射幾小時(shí),即見(jiàn)花瓣發(fā)生皺褶,其效應(yīng)與自然衰老或用乙烯處理引起的衰老相類(lèi)似;UV-B能使黃瓜植株中丁二胺和亞精胺含量顯著提高,能阻止棉花中Zn從子葉運(yùn)轉(zhuǎn)到幼葉。大豆試驗(yàn)中,受UV-B處理的植株籽粒產(chǎn)量嚴(yán)重下降,同時(shí)研究表明UV是通過(guò)損傷膜系統(tǒng)而引起細(xì)胞衰老的。這些研究表明,如果地球表面紫外線輻射增加,將危機(jī)植物的生理代謝。在形態(tài)方面,UV-B能強(qiáng)烈地改變單子葉和雙子葉植物的高度、葉面積等指標(biāo)。有學(xué)者用UV-B處理黃瓜幼苗時(shí)發(fā)現(xiàn),下胚軸伸長(zhǎng)受阻;若在UV-B照射后再用GA3處理幼株,下胚軸伸長(zhǎng)才能得以恢復(fù)正常。這表明UV并非通過(guò)代謝上的限制或破壞頂端分生組織而實(shí)現(xiàn)其在形態(tài)學(xué)上的作用,而是植物體對(duì)UV的一種光形態(tài)學(xué)反應(yīng)。大豆試驗(yàn)表明,受UV-B處理的植株籽粒產(chǎn)量嚴(yán)重下降。3.2.3對(duì)浮游生物的危害UV-B的增加,對(duì)水生生物存大很大的危險(xiǎn)。美國(guó)海洋學(xué)家韋勒指出,“南極大陸上空臭氧層的日益變薄已使紫外線穿過(guò)臭氧層直接進(jìn)入海洋的深度比過(guò)去推測(cè)要深得多,造成的結(jié)果是構(gòu)成海洋食物鏈基礎(chǔ)的單細(xì)胞生物的生產(chǎn)量大幅度減少,并給浮游生物造成嚴(yán)重的遺傳損害”。紫外線輻射對(duì)魚(yú)、蝦、蟹、兩棲類(lèi)動(dòng)物的早期發(fā)育都有危害作用,最嚴(yán)重的導(dǎo)致其繁殖力下降和幼體發(fā)育不全。紫外線能穿透10~20m深的海水,紫外線輻射可殺死10m水深的單細(xì)胞海洋浮游生物和微生物,從而危及水中生物的食物鏈和自由氧的來(lái)源,影響生態(tài)平衡和水體的自?xún)裟芰ΑＴ囼?yàn)表明,如果臭氧減少10%,則紫外線輻射增加20%,這將會(huì)在15d內(nèi)殺死所有生活在10m深的鰻魚(yú)幼魚(yú)。研究人員已發(fā)現(xiàn),南極洲浮游植物繁殖速度下降12%與臭氧空洞有直接關(guān)系,美國(guó)能源與環(huán)境研究所的報(bào)告表明,臭氧層厚度減少25%,將導(dǎo)致水面附近的初級(jí)生物產(chǎn)量降低35%,光亮帶(生產(chǎn)力最高的海洋帶)減少10%。這些研究結(jié)果表明,臭氧層的破壞已影響到海洋生物食物鏈的根基。4保護(hù)臭氧層的進(jìn)展臭氧減少帶來(lái)的危險(xiǎn)已受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注,為了保護(hù)臭氧層免遭破壞,以更好地保護(hù)生態(tài)環(huán)境,國(guó)際上保護(hù)臭氧層的行動(dòng)已持續(xù)了20余年。4.1建立國(guó)際間和各國(guó)的臭氧層保護(hù)法律約束機(jī)制,控制破壞臭氧層物質(zhì)的排放國(guó)際上先后通過(guò)了《關(guān)于臭氧層保護(hù)計(jì)劃》、《保護(hù)臭氧層維也納公約》、《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)》。我國(guó)于1991年6月簽署了《議定書(shū)》的倫敦修正案,目前《議定書(shū)》的締約方已達(dá)168個(gè)。1994年第52次聯(lián)合國(guó)大會(huì)決定,把每年的9月16日定為國(guó)際保護(hù)臭氧層日。我國(guó)正在為實(shí)現(xiàn)《議定書(shū)》規(guī)定的指標(biāo)而努力,制定并實(shí)施了20余項(xiàng)有關(guān)保護(hù)臭氧層的政策。這對(duì)減少消耗臭氧層物質(zhì)濃度及保護(hù)臭氧層具有重要意義。4.2加強(qiáng)氟里昂代用品的研究開(kāi)發(fā)力度氟里昂替代品的開(kāi)發(fā)受到了廣泛受到重視,目前主要包括含氫的氟里昂,其在到達(dá)臭氧層之前的對(duì)流圈被分解。或者用不含氯的氟里昂,如F32,F215,F134a和F143等,即使它們到達(dá)臭氧層也不會(huì)產(chǎn)生破壞作用。有的替代品則是不含F(xiàn)和Cl的有機(jī)物,如精制的石油氣和二甲醚、烷烴、氮?dú)狻⒍趸嫉?。此?回收和分解氟氯烴的研究工作也正在進(jìn)行。4.3提高對(duì)保護(hù)臭氧層的認(rèn)識(shí),牢固樹(shù)立環(huán)境意識(shí)盡管人類(lèi)企圖尋找另一個(gè)與地球相近、可供人類(lèi)生存的星球,但不得不承認(rèn)地球仍然是人類(lèi)的唯一家園,人離開(kāi)地球?qū)o(wú)法生存。因此,必須善待地球、善待自然,不能以犧牲環(huán)境為代價(jià),片面強(qiáng)調(diào)發(fā)展的速度與數(shù)量。相反,應(yīng)強(qiáng)調(diào)人與自然