諾貝爾獎與生活科技：地球的金鐘罩
97/07/09
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劉佳儒｜
國立科學工藝博物館科技教育組
1970 年荷蘭籍的科學家克魯琛（P.J. Crutzen）提出了氮氧基（NO 或 NO2）如何透過催化反應，加強臭氧損失的機制，他的理論把微生物活動與大氣結構連接，帶動了生物化學在地球科學上的發展。之後的幾年間，臭氧平衡的問題由氮轉變至人造的氯，這時整個臭氧層或大氣化學的研究都開始圍繞著氯打轉。
證實氯是破壞臭氧層元兇的，是美國科學家馬利納（M.J. Molina）及羅藍得（F.S. Rowland）兩人。在 1974 年間，這兩位科學家提出理論說明人造的氟氯碳化物（CFCs, chlorofluorocarbons）（如 CFC-11、CFC-12 等）在使用過程中或壽命結束後排放至大氣中時，氯自由基會扮演催化劑的角色，反覆地消耗臭氧分子，而破壞臭氧層。
這 3 位科學家先後對臭氧層濃度平衡機制的突破性貢獻，奠定了日後化學在大氣科學領域中的發展，也在 1995 年獲得了諾貝爾化學獎。至此，人造氟氯碳化物破壤臭氧層的爭議塵埃落定，人類成為破壞臭氧層的共犯。這個攸關人類未來生存的問題，該如何面對及解決，成了本世紀的最大難題之一。
南極上空臭氧層出現破洞的消息震驚了全世界，這層金鐘罩是地球的最後一道防線，當臭氧層漸漸稀疏，破洞愈來愈大時，帶給地球的影響是巨大的環境變異。如果多數科學家的理論是正確的，世界末日的來臨就不再是神諭，在世界末日來臨之前，還剩多少時間可以挽救這場浩劫？
近年來，大自然環境不斷改變，異常的酷熱與豪雨不斷發生。2005 年的卡崔娜颶風席捲美國南端墨西哥灣，造成海水倒灌、潰堤、數千人死亡，數十萬災民被迫撤離。在卡崔娜颶風無情的打擊下，紐奧良也受到前所未有的重創，幾乎全毀。2007 年，歐洲出現了不尋常的持續高溫，不僅讓習慣涼爽氣候的歐洲人領教了酷暑，也造成許多人因為不適應高溫而死亡。生活環境變了，酷熱、豪雨不斷，全世界都在面臨生態浩劫，地球究竟出了什麼問題，我們應嚴肅面對及思考！
大氣層的構造
針對環境異常，首先應了解我們居住的「地球」。地球外環繞著大氣層，主要成分是氮氣和氧氣，占 99％ 以上。此外，還有少量的氬氣、二氧化碳、水氣及臭氧。雖然大氣中二氧化碳、水氣及臭氧的含量很少，對全球氣候的影響卻很大。包圍地球的大氣，其特性隨高度不同而改變，科學家便依照氣溫梯度劃分大氣的垂直結構，由下往上區分為對流層（troposphere）、平流層（stratosphere）、中氣層（mesosphere）及熱氣層（thermosphere）。
由於大氣受重力吸引而環繞在地球四周，因此離地表越近，空氣密度越高。大約 90％ 的空氣都聚集在離地表 30 公里的範圍內，到了離地 100 公里處，大氣密度已不及海平面的百萬分之一。若與地球半徑約 6,370 公里相比，大氣的確只有薄薄一層，這薄薄的一層卻扮演關鍵性的角色，不但阻擋了許多有害的射線，也孕育了適合生活的環境。
臭氧層
數億年前臭氧層並不存在，地表受到陽光中紫外線的強烈照射，陸地上也沒有生物生存。然而水能吸收紫外線，因此有少數的生物生存在水中。水中的植物不斷吸收大氣中的二氧化碳，釋放出氧氣擴散到空氣中。其中一部分上升至平流層受到紫外線作用，分解成活潑的氧原子，氧原子再與鄰近的氧分子反應生成臭氧。但臭氧仍會受強烈紫外線照射而分解，生成氧原子和氧分子，或與活潑的氧原子作用而分解消失。如此反覆不斷地生成與消失，使臭氧含量維持在穩定狀態，形成了保護地球的臭氧層。
臭氧是一種有刺激性氣味，略帶淡藍色的氣體，化學符號是 O3。大氣中 90％ 的臭氧存在於離地面 15 到 50 公里的區域，也就是平流層（又稱臭氧層）。距離地面 20 到 30 公里處的臭氧濃度最高，可吸收太陽光中大部分的紫外線。過多的紫外線會導致皮膚癌等疾病，由於臭氧層的保護，使得地球生物不致受到過多紫外線的侵害。
臭氧層的隱形殺手
臭氧層臭氧量減少的罪魁禍首有好幾個，其中主要元凶就是氟氯碳化物。約從 1930 年起，大量氟氯碳化物做為冰箱、冷氣機的冷煤與噴霧罐所需的推進劑。由於它穩定性高、不自燃也不助燃、不易起化學變化、價格便宜，因而普遍使用在各種工業及日常生活用品中。
另一組化學藥品「海龍」，也證明是破壞臭氧的主要化學藥品。海龍是含溴的化合物，在工業上曾大量做為滅火劑原料，也有很高的穩定性，但相較於氟氯碳化物，海龍與臭氧層中的臭氧反應性更強、更快速。
在臭氧層內，氟氯碳化物和海龍會在紫外線下反應，當氟氯碳化物損失一個氯原子，海龍損失一個溴原子時，這些釋放出來的原子與臭氧反應，使臭氧分解成氧分子及氧原子。氯及溴原子則在連鎖反應中不斷進行反應，造成臭氧濃度持續下降。
當時科學家並未重視這些問題，認為可透過生態平衡機制使臭氧層濃度恢復，直到觀察到極地上空臭氧層的破洞，才驚覺事態比預期的嚴重。科學家在 1960、1970、1980 及 1990 年於北歐所做的監測，發現大氣中氟氯碳化物（CFC-12）的濃度分別是 100、200、400 及 750 ppt，呈現持續增加的情形。但相對地臭氧濃度卻持續減少，且速度快得讓科學家們訝異。
破壞臭氧的反應機制
氟氯碳化物會對臭氧層造成嚴重的破壞，主要關鍵就在其中所含的氯。氟氯碳化物在工業上應用廣泛，而且非常安定，生命周期長達數十年，在環境中不斷累積，隨著大氣循環上升至臭氧層，在臭氧層中因受紫外線照射而分解產生氯原子。
這些氯原子的活性極大，喜歡與其他物質結合，因此遇到臭氧時便開始起化學反應，臭氧被迫分解成一個氧原子及一個氧分子，而活潑的氯原子就與氧原子結合。可是當其他的氧原子遇到這個氯氧化合的分子時，又把氧原子搶回來，組成一個氧分子，這時恢復成單身的氯原子又可以破壞其他的臭氧了！
由此可見，氯在分解臭氧的反應中扮演著催化角色，促進不安定的臭氧反應生成安定的氧。而氯在反應中以不同面貌循環出現，因此少量的氯在重新分配的過程中就能造成大量臭氧的分解。科學家估計，由氟氯碳化物釋出的一個氯原子，經連鎖反應後能使大約 1 萬個以上臭氧分子消失。
臭氧層破壞的影響
臭氧是紫外線的剋星，具有強烈吸收紫外線的功能，可以吸收掉太陽光紫外線中對生物有害的部分 UV-B，使得人類和地球上的生命能生存和繁衍。據估計，臭氧若減少 1％，地球上 UV-B 大約增加 2％。
當大氣層上空的臭氧層變薄或出現空洞時，地球的陸地和海面接受的太陽紫外線照射強度也會明顯增加。過量的紫外線對人類及環境有很大的影響，可能導致農作物減產：植物中的葉綠素受損；破壞生態平衡：海中生物大量死亡，造成食物鏈失衡；動物死亡率上升：動物免疫系統受抑制；人體細胞突變：皮膚癌的罹患率增加；氣象變異：溫室效應加強，間接造成海平面上升。由此可見，臭氧層對於維持地球生態平衡的重要性。
正視臭氧層的問題
使用人造臭氧回補臭氧層，在理論上似乎可行，但實際上很難實踐。首先，修補臭氧層所需的臭氧量相當大，人工製造量並不足以修補。即使人造臭氧量足夠，要如何運輸至臭氧層，不僅技術上難以克服，所需經費也很龐大，恐怕難以估計。
針對臭氧層破洞的問題，1987 年 9 月 16 日聯合國通過「蒙特婁議定書」，這是一份國際間對臭氧層問題的協議。它的內容主要是聯合國為了避免工業產品中的氟氯碳化物對大氣臭氧層造成損害，對氟氯碳化物的生產所做的管制規定，規定各國有共同努力保護臭氧層的義務，對於臭氧層有不良影響的活動，各國都應採取適當措施。
即使全世界立即停止使用氟氯碳化物和海龍，臭氧層的破壞仍會持續數十年。因為這些物質在大氣中滯留的時間很長，它們上升到高層大氣後，在強烈太陽紫外線輻射作用下會使臭氧分子持續遭到破壞。數十年前從噴霧罐、故障和棄置的電冰箱、空調設備，以及測試滅火系統時釋放出的氟氯碳化物，目前仍持續破壞著臭氧層。據估計，過去排放的氟氯碳化物約需要一個世紀才會完全消失於環境中。因此，為避免環境惡化，必須澈底禁用氟氯碳化物，以免禍害千年。
臭氧層的破壞及保護是全球性的問題，每個國家都有程度不等的貢獻，需要全球各國共同合作，始能克奏其功。我國雖非聯合國會員國，為了順應這一環境保護的世界潮流及提升國際形象，應配合蒙特婁議定書的規定，加強列管化學品的管制及替代品的開發，善盡保護大地的責任。
此外，消費者也不要購買氟氯碳化物製造的產品，在市場產生強制的機制，避免開發中國家為了經濟發展以低價傾銷物品，減少不必要的開發行為，避免污染物進入環境中。
保護地球刻不容緩，不使用氟氯碳化物、不購買氟氯碳化物產品及開發替代產品，應是目前較合適的方法。環境保護能延續地球的生命，讓人類活得更健康、更久，同時更有品質。一顆綠色心，共創好環境，為這個正在崩壞的地球盡一份心力，使地球容顏不再日漸憔悴。
