監測全球臭氧
2018/12/18

吳育雅 | 北一女退休地科教師

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臭氧是由三個氧原子組成,是相對較不穩定的分子。雖然它只佔大氣的一小部份,對地球的生命卻扮演著重要角色。
 
 

臭氧是由三個氧原子組成,是相對較不穩定的分子。雖然它只佔大氣的一小部份,對地球的生命卻扮演著重要角色。

 

圖一 大氣各層的相對高度
圖一 大氣各層的相對高度

 

根據臭氧所在的位置,它可以是保護生命的「好」臭氧,或是或傷害地球生命的「壞」臭氧。『好』的臭氧存在於平流層(為距離地表10-40 公里的大氣層),像一個防護罩避免地球表面受到太陽紫外線的傷害。當這層防護罩變薄時,我們可能更容易受到皮膚癌、白內障以及免疫能力下降的威脅,而對流層的臭氧則是『壞』臭氧,會對肺部組織與植物造成傷害。大氣中好與壞的臭氧取決於它生成與破壞的平衡上。當平衡失調時,將對地球生命產生嚴重的後果。科學家目前發現對流層中的臭氧逐漸增加,平流層中的臭氧則正在減少。

 

 

圖二:臭氧的形成與分解
圖二:臭氧的形成與分解

 

平流層中臭氧主要來自紫外線,當高能量的紫外線照到氧分子(O2)時,氧分子被分離成兩個氧原子,單獨的氧原子於是又跟另外的氧分子結合成臭氧,平流層中的紫外線輻射便是被大氣中的氧氣所吸收,由於這個「臭氧-氧氣循環」,紫外線才能持續被轉換成熱能。地表太空除了「臭氧-氧氣循環」,其他化學反應也會影響平流層中的臭氧濃度。因為臭氧與單一的氧原子非常不穩定,他們很容易和從陸地和海洋釋放的氮、氫、氯以及溴化合物反應。舉例來說,氯原子可以將臭氧轉換為氧分子,以此平衡因紫外線撞擊產生的臭氧含量。科學家也發現,臭氧層具有週期性的變化。另外,火山爆發所噴發至平流層的物質也可能導致臭氧的破壞。

 

過去的地球歷史上,平流層的臭氧平衡可以被自然過程調節,也就是當臭氧增加時也會等速的減少。然而,從70年代早期開始,科學家發現人類行為擾亂了臭氧的平衡。人為產生的含氯化合物包括:氟氯碳化物(CFCs)成為破壞臭氧的另一個原因。由於組成的氯、氟、碳分子都十分穩定,氟氯碳化物在低層大氣不易與其他化學物反應,紫外線為少數能分解氟氯碳化物分子的力。在低層大氣中,氟氯碳化物受到臭氧層的保護不受破壞,雖然比空氣重,氣流與混和過程仍可將它們不受損害的帶至平流層。

 

圖三:氟氯碳化物中的氯很易與臭氧反應
圖三:氟氯碳化物中的氯很易與臭氧反應

 

來到平流層的氟氯碳化物分子不再受到臭氧層的保護,被太陽的紫外線分解,並釋放出氯原子,自由的氯原子於是和臭氧分子反應,形成和一個氧原子組成氯的一氧化物以及氧分子。當氯的一氧化物分子遇到了自由的氧原子,氯原子和氧分子又被產生,其中氯原子再次破壞更多的臭氧。幸好氯原子不會永久留在平流層中,當自由的氯原子和一些氣體如甲烷反應後,會形成氯化氫而被雨水從平流層帶至對流層,因此,如果人類可以停止製造氟氯碳化物等破壞臭氧的化學物質至平流層中,臭氧層也許可自己復原。

 

「臭氧消耗」代表臭氧的消失超過了臭氧的生成,也就是保護我們防止受到紫外線傷害的臭氧層變薄了。過去15 年,在南極和北極發現了額外的機制破壞當地的臭氧。當極區是冬天時,平流層冷卻至非常低溫,形成極地平流雲(PSCs),在極地的平流層中,幾乎所有的氯都是不活潑,或儲存在如氯化氫和氯硝酸鹽等不會和臭氧反應的氣體中,但這些存放氯的氣體會在極地平流雲表面上產生化學反應,變得具有活性去破壞臭氧,造成極區臭氧濃度的大量減少,科學家將南極冬天發生臭氧濃度大幅下降的現象稱為「南極的臭氧洞」。1920 年代開始,臭氧被地面儀器測量,科學家將儀器放在地表,測量紫外線穿過大氣的量,用以計算在儀器地點上方的臭氧濃度,但這些觀測並無法提供精確的全球臭氧濃度。

 

臭氧分子在平流層的含量和分布有很大的差異。當雲在對流層傳送時,在平流層的臭氧也有很大的傳送量,因此,科學家在一觀測點的臭氧濃度變化,並無法得知到底一個區域性的臭氧層變化可否代表全球的臭氧狀況,或僅是在特定區域的變化而已,衛星提供全球的每日資料幫助了科學家克服這些困難。美國太空總署(NASA)和美國國家海洋及大氣管理局(NOAA)利用衛星進行觀測計畫,量測臭氧的季節、經緯度分佈,以及20 年以上的長期變化,現今使用的儀器將在五到十年內,被更精密的儀器取代。

 

目前科學家已知大量的極區臭氧減少,肇因於人為產生的化學物質,但目前仍不清楚中緯度臭氧減少的原因。早期的模式預測幫助政府決定許多因應臭氧減少的解決方法,面對氟氯碳化物可能造成臭氧減少的問題,全球領袖在1987 年簽訂了蒙特婁議定書,限制氟氯碳化物的產量和使用,1992 年,越來越多的科學證據證明臭氧減少,促使外交官重視議定書的執行,1996 年,修改後的條約呼籲已開發國家全部淘汰氟氯碳化物的製造,目前全球大多數的氟氯碳化物濃度已經逐漸下降。

 

圖四:南極上空臭氧濃度大幅下降出現的「臭氧洞」
圖四:南極上空臭氧濃度大幅下降出現的「臭氧洞」

 

為了創造更精確的模式,科學家必須長年同時研究臭氧生成和減少的可能原因,以及來自外太空的影響。美國太空總署的地球觀測系統將使用一系列精密的儀器量測大氣對於臭氧的交互作用,由NASA 和NOAA 多年來建立的資料庫,這些觀測結果將增進人們對於高層大氣的化學和動力的認識,以及人類活動對地球臭氧層的影響。