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第7章 新女娲“补天”(3)

由于紫外辐射的增强,在对流层中首先发生变化的化学组分应是那些包括臭氧和其他氧化剂在内的光化学活性气体,这些气体直接参与紫外辐射作用下的光化学反应,其结果不仅导致大气中已有的某些组分浓度的变化,而且还会生成一些新的化合物或分子基团。不仅如此,一些测量结果显示,人类活动不断向大气中排放种类繁多的挥发性有机物质,在 UV-B辐射水平升高的情况下,会使对流层中的光化学过程变得更为复杂和难以预测。

大气中氧化剂浓度的增加会直接影响低层大气的空气质量,尤其在空气污染相对比较严重的城市地区,一些氧化物和自由基等有更多的机会和条件参与多种化学反应而生成多种二次污染物而使空气质量恶化。

3.严重的空气污染事件

在太阳紫外辐射增强的情况下,近地层化学组分发生变化会导致一些重大空气污染事件发生。在一般情况下,近地面大气中化学组分的变化,尤其是一些烃类、醇类等有机化合物浓度的增加会使空气受到污染,影响空气质量。而在某些极端情况下,这种空气污染会变得非常严重,并形成直接危及人们生命的严重空气污染事件。

人类排放到大气中的氮氧化物,不仅直接造成空气污染,而且在太阳紫外辐射作用下会发生复杂的光化学反应,其结果是形成严重影响空气质量的光化学烟雾。光化学烟雾是多种二次污染(如臭氧、各种醛类如甲醛、乙醛、丙烯醛等)以及硝酸雾、硫酸学烟雾的发生创造更有利的条件,进雾和悬浮颗粒物的混合物。太阳紫外而使空气质量恶化,危害大气环境的辐射是大气中形成光化学烟雾的必要安全。条件,紫外辐射的增强必然会对光化水生生态系统与陆地生态系统构成地球上的两大生态系统,二者的相互作用均衡使全球生态系统保持在正常的水平上,全球水生生态系统每年将 1000亿吨左右的碳转换成有机物质,并以鱼类、甲壳类和海藻等形式为人类提供大量的食物。人类消耗的所有蛋白质中,大约有 1/4是水生生物提供的。增强的太阳紫外辐射会对水生生物群落起到破坏作用,其主要表现为对初级生物量的影响。

1.对浮游生物的影响

浮游生物(包括微生植物和藻类等)是水体中的主要生产者,是水体生物量的初级生产者,是水体中复杂的食物链的基础。由于要进行光合作用,所以水体中的浮游生物主要生活在水体的表层,所以极容易受到太阳浮游生物在全世界各大洋中的分布是不均匀的,其浓度决定于养分、净光合速率、海面状况以及太阳 UV-B辐射等要素,其高浓度值区通常在较高的纬度地区,在温带海洋中,浮游生物的浓度在春秋季较高,夏季减少。浮游生物在全球海洋的这种分布格局,在某种程度上显示了太阳紫外辐射对其繁殖率的不利影响。在讨论紫外辐射对海洋浮游生物影响时,那些尺度极小的细菌类浮游有机体(如蓝菌、硅藻等)尤为令人关注。这些微小的有机体在海洋有机物分解和循环中起着重要作用,但这些浮游有机体由于其生存时间短或由于其活动性差,对太阳紫外辐射的抵御能力更脆弱,更容易受到伤害,而它们在水体总生物量方面的贡献却占到 40%左右。

估计紫外辐射对海洋浮游生物的定量影响是一件很困难的事,高纬地区上空大气臭氧含量的明显减少为这种估计提供了机会。一些研究人员在南极臭氧空洞期间,对洞内外到达水域的太阳紫外辐射量变化和浮游生物量变化进行了比对研究,他们的报告显示,南极臭氧洞期间,在南大洋的冰区范围内,与臭氧减少相关的浮游生物的初级生产力减少达 6%~12%。不仅如此,研究人员还发现了在臭氧洞期间,增强的太阳紫外辐射对光合作用的抑制作用(约 5%),这与某些屏蔽掉紫外辐射会使光合作用增加的实验结果是一致的。这些研究结果表明,由于大气中臭氧量减少而导致的太阳紫外辐射增加不仅会直接引起海洋浮游生物数量的减少,而且紫外辐射对浮游生物活性的抑制也会使光合作用减弱,最后导致海洋对大气中二氧化碳吸收量的减少。联合国环境规划署估计,每损失 10%的海洋浮游生物就会使海洋每年减少吸收二氧化碳 50亿吨左右,这大约相当于人类燃油每年向大气中排放的二氧化碳量。如果这一估计可靠的话,全球碳平衡状态会因此需要重新评价,结果会导致温室效应的增强和全球气候变化的加剧。可见,科学家们需要在海洋浮游生物对紫外辐射增强的响应及其生态学后果等方面做进一步的研究。

2.对海洋食物链的影响

浮游生物是水体中其他所有生物赖以生存的基础,是海洋中复杂食物链的基础。因此,浮游生物的损害、浮游生物量的减少必然会使海洋食物链更高营养级上的所有生物量减少,会使包括鱼类、贝壳类和软体类动物在内的大量次级消费者的生存受到影响,最终导致水产品总量的减少。据粗略估算,大气中的臭氧若耗损16%,会使海洋中的浮游生物损失5%,进而使水产业和水产养殖业的水产品总量减少约 7%,这相当于每年鱼的产量损失 700万吨。不仅如此,考虑到海洋中较高层次的较大消费者个体总是以较低层次的较小个体为食。因此,UV辐射对浮游生物的影响也会改变海洋食物链中较高层次的链接,导致食物链的变异。

3.对海洋生物的直接影响

紫外辐射量的增加除了通过海洋食物链变化间接影响食物链中不同层次的消费者之外,还对海洋中的鱼类、虾类、蟹类、两栖类以及其他动物的早期发育阶段产生直接的影响,其中最严重的影响是降低它们的繁殖能力和伤害它们幼体的发育。一些研究报告指出,即便是在目前紫外辐射的水平上,UV-B已经构成海洋中某些生物数量发展的限制因子。尤其是在一些中高纬地区的晚春季节,UV-B辐射的增强正好与某些物种的生长发育相吻合,紫外辐射的增加和短期波动都会使一些敏感物种的幼体发育受到威胁。

实验表明,海洋中各类无脊椎动物对 UV-B辐射的敏感性有很大的差别,UV-B辐射会杀死培植中的大部分普通桡脚类甲壳动物的个体并降低残存者的繁殖能力。在现有的 UV-B水平上,已发现有一种甲壳类的死亡达到了 50%左右。有学者估计,如果大气中的臭氧耗损达到 16%,那么会有一半左右的海洋物种在 5天之内遭受到比正常情况高出 50%的积累辐射剂量。

增强的太阳紫外辐射也会对鱼类等某些脊椎动物的幼体的生长和存活能力产生直接影响。根据 6月份北美洲太平洋沿岸大陆架地区的资料显示,大气中臭氧减少 16%,会使在海水 0.5米处,年龄为 2天、4天和 12天的鳗鱼类幼体的死亡率分别达到100%、82%和50%,这不仅是由于鳗鱼幼体的出现正处在紫外辐射的峰值期,而且由于在这一地区所有鳗鱼幼体均出现在水域上层 0.5米范围内。一些两栖类动物也会受到太阳紫外辐射的影响。一些两栖类动物直接在水域的表层产卵,卵完全暴露在太阳紫外线照射之下而使其数量减少,一般两栖类动物的蛋或卵细胞在紫外线的作用下都会有不同程度的损伤。

4.对水生环境的影响

太阳紫外辐射对水生生物的影响涉及很多的生物生理过程。水生环境的变化无疑对这些过程有着重要影响和反馈作用。海洋和大气都是开放系统,发生在大气中的一些重要物理、化学过程会直接影响到进入海洋表面的太阳紫外辐射和可见光辐射,可以影响海气之间的物质和能量交换等,进而使海洋的温度、盐分以及二氧化碳浓度等水生环境发生变化。前面已提到紫外辐射的增加除了直接对海洋生物产生影响之外,还会影响到达水面的光合有效辐射(PAR),改变水域表层的 UV-B/PAR之间的比例关系,从而影响海洋的初级生产力。

大型藻类和浮游生物都会释放出有机的气态硫化物,如硫酸二甲酯(DMS),其释放速率取决于这些生物受太阳辐射控制的代谢活动。这些DMS进入大气之后,很容易形成硫化气溶胶而成为大气中云的凝结核,进而增加大气中的云量,其结果又会减弱到达海洋表面的太阳辐射。另一方面,大气中臭氧减少导致紫外辐射增加。可见,这些正向、反馈过程的发生会造成海洋水生环境的变化和海洋生态系统的混乱。

20世纪中叶以来,随着工农业生产和社会的发展,人类向大气和河海中排放的废气、废水和废渣也大幅度增加,这些排放使大气和河海受到了严重的污染。据不完全统计,全世界每年向大气中排放的二氧化硫约1.5亿吨,氮氧化物约 0.68亿吨,一氧化碳约 1.8亿吨,颗粒物约 1亿吨。与此同时,全球每年约有 4200多亿立方米的污水排入江、河、湖、海之中,这大约相当于全球径流量的 14%左右,从而使水体遭到污染。这些污染(主要包括石油污染、热污染、放射性污染、盐污染、有毒化学物质污染等)恶化了水体生态环境,对鱼类、藻类、浮游生物造成直接危害。更值得注意的是,进入到大气和水体的这些污染物中有很多是化学性质很稳定的化合物,它们在大气和水体中的滞留时间很长,因此会产生长时间的慢性危害。其中有些污染物在太阳紫外辐射的作用下发生分解而产生其他污染物滞留在大气和水体中,这些不易分解的污染物长期积累会使水体的环境恶化,对某些水生生物的生存构成威胁。

§§§第二节“补”住天上的漏洞

氟利昂可用于空调制冷

一般认为,在人为因素中,工业上大量使用氟利昂气体是破坏臭氧层的主要原因之一。氟利昂作为氯氟烃物质中的一类,是一种化学性质非常稳定,且极难被分解、不可燃、无毒的物质。氟利昂是一种科技进步的典型产品,最初是用来做冰箱的冷冻剂,之后扩展应用于现代生活的各个领域。清洁溶剂、空调冷冻、保温材料、无毒喷雾器推动剂、发泡剂和集成电路生产中的溶剂等都使用了氟利昂。

氟利昂在使用中被排放到大气后,其稳定性决定它将长时间滞留于此达数十年至上百年。由于氟利昂不能在对流层中自然消除,只能缓慢地从对流层流向平流层,在那里被强烈的紫外线照射后分解释放出氯原子,氯原子会把臭氧还原成氧分子。一个氯原子可能会破坏掉成百上千个臭氧分子,其破坏力非常大。

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