從一九七九年至一九九二年，南極地區臭氧濃度減少了50%以上。由於臭氧能吸收波長小於320奈米的紫外光，使得照到地球表面上的紫外光比在大氣之外的紫外光減弱很多。如果我們不設法保護臭氧層，陽光中的紫外光將會對地球上的生物造成很大的傷害，人類的皮膚癌也會大量增加。

 

德國化學家庫魯芹（Paul Jose Crutzen），以及美國化學家莫利那（Mario Jose Molina）與羅蘭德（Frank Sherwood Rowland）的研究，使我們了解氟氯碳化物是破壞臭氧層的元兇，由於他們的努力，促使許多國家簽訂「蒙特婁議定書」，自一九九六年元旦起禁產氟氯碳化物，以保護臭氧層，使人類得以免除一場浩劫。

臭氧是什麼？小心不要碰！

將乾燥的氧氣通過高壓放電裝置時，會產生一種淡藍色，有刺激性臭味的氣體，這種氣體分子由三個氧原子組成，稱為臭氧。它和氧氣都是由氧元素所組成，但是有不同的形狀、不同的鍵結方式與不同的性質，我們稱這兩種物質為同素異形體。

 

臭氧在一大氣壓下，在攝氏零下112度液化成藍色液體，在攝氏零下192度凝固成紫色固體。常溫時，臭氧並不穩定，它的氧化力非常強，可將碘化鉀氧化為碘。因為碘與澱粉作用即變為藍色，因此利用碘的澱粉試紙，觀察試紙是否轉變為藍色，是一種檢驗臭氧的有效方法。

臭氧的毒性甚強，是一九九一年美國訂定的四種主要氣態空氣污染物之一。在都市，空氣中臭氧的允許限量為0.12 ppm（ppm為百萬分之一）以下，但是在許多大城市中，如美國洛杉磯與休士頓、日本東京、巴西聖保羅、墨西哥墨西哥市，臭氧的濃度經常超過0.15ppm，甚至偶爾還高達0.5ppm。臭氧分子與氧分子結構，兩者為同素異形體。

 

臭氧濃度小時會刺激眼睛，濃度達0.15ppm即會造成咳嗽、氣喘、對呼吸道黏膜系統產生刺激，濃度超過0.2ppm時會導致肺腫、肺出血、甚至死亡。在劇烈運動時，吸進臭氧是非常危險的。美國新澤西州高中足球隊員，就曾因運動時吸入過量臭氧而住進醫院。美國加州的中學在臭氧濃度超過0.12ppm時，就不准學生在戶外遊玩。在0.15ppm的臭氧中，一小時內就會使人精神委靡。

除此之外，臭氧還會造成大量經濟損失，例如，因為臭氧會氧化並打斷聚合物中的雙鍵，使橡膠變硬及碎裂而損害天然橡膠及其相似的物體。

臭氧對植物生命最具威脅性，特別是菸草及番茄等農產品。臭氧會在綠葉表面造成枯黃色的斑點，使植物的葉面受損。在臭氧濃度約0.06ppm的環境中短暫地暴露，就可能使許多植物光合作用的速率減半。

 

<低溫下溶解在二氯甲烷中的臭氧，呈現淡藍色。（圖／Shizhao，wikipedia）

 

雖然有很多人為的途逕可產生臭氧，但是臭氧的主要來源是在平流層，由大氣中的氧分子吸收光子，分解出氧原子，氧原子產生後，可與另一氧氣分子形成臭氧。

分布在平流層中的臭氧，大約是在對流層中臭氧的100倍。雖然臭氧在對流層是項嚴重的污染物，在平流層（同溫層）的臭氧卻有相當重要的功能：吸收紫外光。大氣層之外，太陽光紫外線的能量雖然只有全部輻射能量的百分之八，對生物體的傷害卻是非常大，而臭氧主要吸收波長小於320奈米、大於200奈米的光子，氧氣可吸收波長小於242奈米的光子，臭氧與氧氣將300奈米以下的陽光幾乎完全吸收，成了生物的保護神。

 

為甚麼紫外線會對人體造成傷害呢？因為高能量光子能激發生物分子中的電子，破壞生物分子中的化學鍵，引發生物分子的化學反應，並且改變它們的性質，因此會造成生物體極大的傷害。傷害的程度隨著紫外光波長變短而急遽增加。例如，生物體的去氧核醣核酸的生物敏感度，就是光能強度損害生物體內去氧核醣核酸的相對值，隨波長增加而快速減弱，若在280奈米處假設為1單位，在320奈米處就只有0.0001單位。由此可以看出臭氧層的重要性，如果沒有臭氧吸收242奈米到320奈米的光子，陽光中的紫外線將會對生物造成極大的傷害。

 

根據近期一項文獻報導，如果平流層中的臭氧濃度減少1％，照射到地表的紫外光增加，就能使人類皮膚表層與中層細胞發生病變的機率各增加6％與4％。若臭氧層濃度減少了10％，則這兩層皮膚的致癌率將各升高90％與50％。
除此之外，照射紫外光也會增加白內障的病變和減弱人體免疫系統的功能。而紫外光輻射增加對於其他生物，如爬蟲類的影響，會使它們的卵孵出健康幼雛的機率減低。不但這些爬蟲可能受到極大的傷害，它們的掠食者也將喪失食物的來源，大大擾亂整個生態系統的平衡。最近一項研究也發現，如果平流層中的臭氧濃度減少了25％，會使大豆產量減少一半。而且紫外光會降低植物固氮作用的速率。

 

那在對流層的臭氧又是怎麼形成的？其實在許多交通繁忙的都市裡，臭氧的濃度非常高，有時甚至會形成黃棕色的光化學煙霧。原因是汽車及機車燃燒油料時，會產生氮化物，例如一氧化氮和二氧化氮。二氧化氮在陽光下可以和空氣中的氧氣發生化學作用，釋出臭氧和一氧化氮。臭氧又會與一些汽車中排放出的碳氫化合物作用，產生光化學煙霧。為了減少臭氧及光化學煙霧的傷害，不少環保人士提倡我們應該在都市中，改用電動汽車來代步，取代必須靠燃燒油料作為動力的車子。光化學煙霧形成的簡要流程圖。汽車排出的一氧化氮緩慢地被氧化成二氧化氮。二氧化氮是光化學煙霧中的致命主角。它吸收陽光中的光子，就分裂為一氧化氮及化性極活潑的氧原子。氧原子再與汽車廢氣中及空氣中的一些東西起作用，產生了各種不同的有刺激性，有毒性的化學物質，形成朦朧的光化學煙霧。

 

平流層臭氧的生成與破壞

每天約有3億噸臭氧在平流層生成，同時有相同數量的臭氧被破壞。一九二九年查浦曼（Sydney Chapman）首先提出有關這些變化的四個步驟，定名為查浦曼循環，其中第二個步驟生成臭氧，第三與第四步驟卻進行破壞臭氧的反應。洛杉磯上空的光化學煙霧，因為大量的汽車排放廢氣後，與光發生光化學反應後產生（圖／Daniel Stein，iStoke.com）

 

 

如無催化劑，此循環的第四個步驟並不迅速，但如果有氫氧自由基（HO），氫二氧自由基（HO₂），一氧化氮（NO），二氧化氮（NO₂），氯（Cl）以及氯氧自由基（ClO）等催化劑存在，則可加速此步驟而使臭氧的存量減少。

每個平流層中的氯原子，在離開平流層之前，平均破壞十萬個臭氧分子。南極附近臭氧的濃度隨氯氧自由基濃度增加而減少。

氟氯碳化物的性質與用途

氟氯碳化物是一組由人工合成的化合物，最常使用的有氟利昂11（Freon-11，CFC-11，三氯一氟甲烷）與氟利昂12（Freon-12，CFC-12，二氯二氟甲烷）。由於這類化合物非常安定，幾乎不與其他物質起化學反應，毒性低且不燃燒。自從一九三○年代起，即大量製造，用作冰箱中的冷凍劑、氣體溶劑中的推進劑、各類油脂的溶劑、外科醫療器具的消毒劑，以及製造高分子混合物的充泡氣。

一九八五年，全球各國生產的CFC-11與CFC-12約為850,000噸，地表附近大氣中的氟氯碳化物的濃度約0.6ppb（ppb為十億分之一含量），以後每年約增加百分之四。

氟氯碳化物的廣泛利用主因是由於這類化合物非常穩定，但也由於這項特性，使得它能由對流層進入平流層，破壞臭氧，對環境造成極大損害。過去認為氟氯碳化物這類人工合成的化合物，使人類生活上有了重大突破，是一項便利有用的物質，如今卻發現它們是破壞臭氧的元兇。

 

反過來看，天然產生的臭氧，在對流層是項嚴重的污染，在平流層卻成為生物的保護神，正對應著《道德經》上所說的「禍兮福之所伏」。因此，化學家們在合成新的化合物時，應多多思考「道法自然」所蘊藏的真理。

 

為了減少氟氯碳化物對臭氧層的傷害，化學家合成兩類氟氯碳化物的替代品，一為不含氯的氫氟碳化物，另一為易被破壞的氫氟氯碳化物。

經由衛星的偵測，自一九七九年至一九九二年，南極地區臭氧濃度減少了50％以上。可知在九十年代工業突飛猛進，大量使用含氯及含氮物質，使臭氧層破洞日趨嚴重，如果我們不設法保護臭氧層，陽光中的紫外線將對地球上的生物造成很大的傷害。現今因為庫魯芹、莫利那與羅蘭德的研究工作，使我們了解在大氣中，臭氧的生成與破壞以及有關的各種反應的詳細歷程。且由於他們到處鼓吹禁止氟氯碳化物的使用與排放，終於得到一百多個國家的支持，訂立「蒙特婁議定書」，為了保護臭氧層，自一九九六年一月一日起，全面禁產氟氯碳化物，使人類得以免除一場可能發生的浩劫。由於冷媒的發明，氟氯碳化物在此後大量排放，並傳送到平流層，經過光化學反應後分解臭氧。直到80年代發現其危害，國際間簽訂《蒙特利爾議定書》禁止生產氟氯碳化物，才使臭氧層破洞減緩。