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第7章 制造温室效应的气体元凶(2)

祸根在哪里呢?经科技人员深入调查研究才发现,罪魁祸首是“氟”。

氟是自然界中普遍存在的一种微量元素。元素符号:F。元素类型:非金属。

氟属于卤素的在化合物中显-1价的非金属元素,通常情况下氟气是一种浅黄绿色的、有强烈助燃性的、刺激性毒气,是已知的最强的氧化剂之一。氟气密度1.69克/升,熔点-219.62℃,沸点-188.14℃,化合价-1,氟的电负性最高,电离能为17.422电子伏特,是非金属中最活泼的元素,氧化能力很强,能与大多数含氢的化合物如水、氨和除氦、氖外一切无论液态、固态或气态的化学物质起反应。氟气与水的反应很复杂,主要氟化氢和氧,以及较少量的过氧化氢、二氟化氧和臭氧产生,也可在化合物中置换其他非金属元素。可以同所有的非金属和金属元素起猛烈的反应,生成氟化物,并发生燃烧。有极强的腐蚀性和毒性,操作时应特别小心,切勿使它的液体或蒸气与皮肤和眼睛接触。

氟是人和动物身体发育过程不可缺少的微量元素之一。但如果氟含量过剩,又能影响人、动物和植物的正常生长。经查证:新疆某煤矿和垦区人体氟中毒,就是因开采高氟煤层污染环境和开发利用高氟地下水,使饮水氟含量超标几倍甚至十几倍所致。

氯氟碳化合物对臭氧层有破坏作用。部分使用后的氯氟碳化合物升到同温层。由于其低活跃性、低生物降解性及不溶于水,氯氟碳化合物很难被分解。氯氟碳化合物在太阳的紫外线照射下会分解出氯气自由基,破坏臭氧。由于此等破坏是连锁反应,故威力相当惊人。据估计,1个氯原子可以破坏近10万个臭氧分子。

由于氯氟碳化合物对臭氧层的破坏日益严重,故多个国家于1987年9月于加拿大蒙特利尔签署《蒙特利尔议定书》,分阶段限制氯氟碳化合物的使用。由1996年1月1日起,氯氟碳化合物正式被禁止生产。因此,氯氟碳化合物可被碳氢化合物取代,虽然不会破坏臭氧层,但具有一定的易燃性和毒性。

具有间接温室效应的气体

温室气体除了二氧化碳、臭氧、甲烷、碳氢化合物、氯氟碳化合物几种主要气体外,还有一些间接性的温室气体,例如一氧化二氮(N2O)。

与二氧化碳相比,虽然N2O在大气中的含量很低,但其单分子增温潜势却是二氧化碳的310倍;对全球气候的增温效应在未来将越来越显著,N2O浓度的增加,已引起科学家的极大关注。目前,对这一问题的研究,正在深入进行。

一氧化二氮,无色有甜味气体,又称笑气,是一种氧化剂,化学式N2O,在一定条件下能支持燃烧,但在室温下稳定,有轻微麻醉作用,并能致人发笑,能溶于水、乙醇、乙醚及浓硫酸。其麻醉作用于1799年由英国化学家汉弗莱·戴维发现。该气体早期被用于牙科手术的麻醉。需要注意的是,一氧化二氮是一种强大的温室气体,它所能造成的温室效应的效果是二氧化碳的296倍。

一氧化二氮的主要安全隐患在于,它是一种有分解性的麻醉剂,而且通常以加压液化的形式储存。在正常储存时,它是很稳定的,使用起来也很安全。但是如果错误地使用,它会很容易分解而且很有可能爆炸。液态的一氧化二氮是有机物的良好溶剂,不过用它制成溶液有可能会生成一些对外界刺激敏感的爆炸性物质。一部分火箭事故由于一氧化二氮被燃料污染而发生,少量的一氧化二氮和燃料的混合物发生爆炸,随即引起剩余一氧化二氮的爆炸性分解。

一氧化二氮是一种具有温室效应的气体,是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。N2O在大气中的存留时间长,并可输送到平流层,同时,N2O也是导致臭氧层损耗的物质之一。

汽车排放氧化氮气

在自然条件下,一氧化二氮主要从土壤和海洋中排出。人类在耕作、生产、使用氮肥、生产尼龙,还有燃烧化石燃料和其他有机物的过程中增加了一氧化二氮的排放量。它是一种助燃剂。最初是用在帮助“二战”时德军飞机迅速逃离战场,现今用于改装汽车上,用于直线加速。

一氧化二氮在大气层中的存在寿命是150年左右,尽管在对流层中是化学惰性的,但是可以利用太阳辐射的光解作用在同温层中将其中的90%分解,剩下的10%可以和活跃的原子氧反应而消耗掉。即使如此,大气层中的N2O仍以每年0.5~3Tg的速度净增。

氮氧化物,当然也包括一氧化二氮,是一类温室气体。因此,氮氧化物是控制温室气体排放时的主要对象。一氧化二氮本身是排在二氧化碳、甲烷之后的第三大温室气体。

臭氧

臭氧是大气中的微量气体,是一种具有微腥臭、刺激性、浅蓝色的气体,主要密集在离地面20~25千米的平流层内,科学家称之为臭氧层。臭氧层好比是地球的“保护伞”,阻挡了太阳99%的紫外线辐射,保护地球上的生灵万物。

臭氧分子式为O3,是氧气的同素异形体,在常温下,它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。它是氧元素的一种形式,它的每个分子均含3个原子,正常的氧分子则含2个原子。臭氧在平流层通过一个称之为光解过程的太阳辐射对氧分子的作用而形成。氧分子分裂形成氧原子,随后氧原子与氧分子结合产生臭氧。

臭氧三角形结构臭氧主要存在于距地球表面20千米的同温层下部的臭氧层中,含量约50毫克/千克。它吸收对人体有害的短波紫外线,防止其到达地球。O2经紫外光照射而得。在大气层中,氧分子因高能量的辐射而分解为氧原子,而氧原子与另一氧分子结合,即生成臭氧。臭氧又会与氧原子、氯或其他游离性物质反应而分解消失。由于这种反复不断的生成和消失,乃能使臭氧含量维持在一定的均衡状态,而大气中约有90%的臭氧存在于离地面15~50千米之间的区域,也就是平流层。在平流层的较低层,即离地面20~30千米处,为臭氧浓度最高之区域,是为臭氧层,臭氧层具有吸收太阳光中大部分的紫外线,以屏蔽地球表面生物不受紫外线侵害之功能。

臭氧的自然破坏是通过由氧、氮、氯、溴和氢参与的一系列催化过程造成的。

因臭氧反应活性强,是强氧化剂,对植物、动物及很多结构材料如塑胶、橡胶有害。它还会伤害肺组织,严重会导致肺出血而死亡,因此,当空气中臭氧含量过高时,一般建议老人和幼儿不宜于户外作剧烈运动,以免吸入过量臭氧。低层空气中臭氧有时被称为“有害的”臭氧,主要源于汽车排气中二氧化氮的光化学分解。由于工业和汽车废气的影响,尤其在大城市周围农林地区,在地表臭氧会形成和聚集。地表臭氧对人体,尤其是对眼睛、呼吸道等有侵蚀和损害作用。地表臭氧也对农作物或森林有害。与“有害的”臭氧相反,“有益的”臭氧存在于地球大气层的中气层(平流层上部),又称光化层,覆盖着地球表面,阻隔大部分破坏生物组织的太阳紫外线辐射。而稀薄的臭氧会给人以清新的感觉,因此,在大雷雨后,空气总是特别清新。

臭氧具有强烈的刺激性,吸入过量对人体健康有一定危害。它主要是刺激和损害深部呼吸道,并可损害中枢神经系统,对眼睛有轻度的刺激作用。当大气中臭氧浓度为0.1毫克/立方米时,可刺激鼻和喉头黏膜;臭氧浓度在0.1~0.2毫克/立方米时,引起哮喘发作,导致上呼吸道疾病恶化,同时刺激眼睛,使视觉敏感度和视力降低。臭氧浓度在2毫克/立方米以上可引起头痛、胸痛、思维能力下降,严重时可导致肺气肿和肺水肿。此外,臭氧还能阻碍血液输氧功能,造成组织缺氧;使甲状腺功能受损、骨骼钙化;还可引起潜在性的全身影响,如诱发淋巴细胞染色体畸变,损害某些酶的活性和产生溶血反应。臭氧超过一定浓度,除对人体有一定毒害外,对某些植物生长也有一定危害。臭氧还可以使橡胶制品变脆和产生裂纹。

大自然很容易产生臭氧,在打雷闪电时会产生几十万伏的高压电,电离空气及有机物形成臭氧。臭氧能于短时间内将空气中的浮游细菌消灭,并能中和、分解毒气,去除恶臭。因此,臭氧可用于净化空气、饮用水,杀菌,处理工业废物和作为漂白剂。

自从1970年初以来,作为大气中的微量气体,臭氧从只为少数科学家关注变成一个全球性突出问题。由于这些科学家展示了大气臭氧的正常浓度受到了人类活动的冲击,才导致了这一变化。臭氧的减少是根据WMO的全球臭氧观测系统自1950年中期以来150多个观测站及最近15年中为数不多的专业卫星收集的资料发现的。通过大量的实验室研究、外场测量和理论研究,已确认了许多人造的化合物与这些臭氧减少的关系。根据这方面的资料,各国响应联合国环境署(UNEP)的号召签署了第一个保护臭氧层公约。

我们呼吸的空气99%是氮(78%)和氧(21%)。数百万年来这样的比例始终保持来变。一些稀有成分,如水汽、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧和惰性气体(如氩、氦、氖),在空气中的体积比例不足1%。平均而言,每1000万个空气分子中只有3个臭氧分子。如果将大气中所有的臭氧移至地球表层,其厚度大约仅为3毫米。

不同地点的大气柱中臭氧总量是不一样的,它主要取决于大尺度大气动力学。

虽然臭氧分子十分的稀有,但它在我们地球生命中发挥了重要的作用。它们吸收有害的太阳紫外辐射(波长比320纳米左右还短),保护我们及所有其他动物和植物免受伤害。臭氧基本上也决定了平流层(10~15千米)的热结构,在平流层中温度随高度增加而升高。

一方面太阳能量生产出新的臭氧,另一方面这些气体分子不断地被一些含氧、氮、氢和氯或溴的天然化合物所破坏。这些化学物质早在人类开始污染大气之前即已在平流层中存在。臭氧氮化合物来自土壤和海洋,氢主要来自大气中水汽,氯和溴则以甲基氯化物和甲基溴化物的形成来自海洋。目前,人类已开始扰乱臭氧脆弱的生成和破坏之间的平衡。通过向大气排放额外的含氯和含溴的化学物质(如氯氟化碳),人们增强了对臭氧的破坏,导致平流层中臭氧浓度降低。臭氧减少后,到达地面的太阳辐射就会增多,获得的热量多,地面白天的温度就会上升,同时地面向外辐射能量的也多,也就是说大气吸收地面的热量也同时增加,这样在夜晚时大气通过逆辐射返回给地面的热量也增多了,温室效应也就加剧了。

在大气的低层(地表至10~12千米),称之为对流层,则正在发生相反的过程。在北半球中纬度地区,主要由于燃烧过程,对流层的局地臭氧浓度在过去100年中已增加1倍以上。对流层臭氧的这一增加不能补偿平流层臭氧的耗减,但这变化会影响地球大气系统的辐射平衡。

臭氧问题已在联合国50周年纪念中提出,因为它代表了一个成功的环境例子。要掌握臭氧的变化及保护臭氧所需的措施,均需要全世界的科学家、政府和工业部门的合作;需要在WMO和UNEP的协调下,各国在与联合国专门机构如联合国开发计划署、世界银行及其他国家和国际组织的合作中共同作出努力。

大气对太阳辐射的削弱作用

大气对太阳辐射的削弱作用包括大气对太阳辐射的吸收、散射和反射。太阳辐射经过整层大气时,0.29微米以下的紫外线几乎全部被吸收,在可见光区大气吸收很少。在红外区有很强的吸收带。大气中吸收太阳辐射的物质主要有氧、臭氧、水汽和液态水,其次有二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和尘埃等。云层能强烈吸收和散射太阳辐射,同时还强烈吸收地面反射的太阳辐射。云的平均反射率为0.50~0.55。

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