现代环境变化的关键区
监测与研究现代环境变化，是当代与人类休戚相关的重要科学问题之一。在南极地区，尤其是人类活动影响最小的南极地区，它之所以成为现代环境变化的关键区，至少有如下两个内容。
第一，是寻找全球环境本底值的关键地区。所谓环境本底值，是个相对的概念，是指在不受或少受人类活动--尤其是工业活动--影响条件下的环境状态。前一节中曾提到，在南极地区冰盖中打钻采样可以得到各历史时期的空气样，从而得到未受人类活动影响时期的大气环境本底状态。本节将重点介绍当今南极地区仍可视为全球环境的本底值区。
从空气采样分析的大气成分表明，南极地区大气中所含的硅、硫、氯、钾、钙、铬、铁、铜和锌等九种元素的浓度比北京郊区的百花山要低2个～4个量级，即使和喜玛拉雅山脉东端的南迦巴瓦峰山区相比，也要低1个～3个量级。可见，南极地区可以作为这些元素的大气环境本底值区。
从南极地区与其它地区冰雪样、水样的化学组分比较情况，可以看出，就全球范围来看，南极地区雪水样中的化学组分的离子浓度最小，珠蜂地区次之，其它地区本底站雪水样的化学组分的离子浓度均要比南极地区高出1个～2个量级。显然，南极地区冰雪样中各化学组分的总离子浓度也可作为全球的环境底值。
第二，南极臭氧洞的变化密切关系着人类的生存。近20年来南极地区上空臭氧洞的变化成了全社会关注的一大环境科学问题。原因在于，如果这个臭氧洞向人类活动聚居的北半球移动或扩展，必将危及人类的生命安全和伤害地球上的生物。
所谓臭氧洞，是指包围地球的大气圈中臭氧总量的极低值区域；人们形象地将它比喻为大气圈的臭氧层中出现了洞穴。所谓臭氧层，是指高度在20公里～30公里上空，围绕地球的一圈含臭氧量较高的薄层，它有吸收太阳紫外线的作用，可以防止过多的紫外线透过大气层直达地面，伤害地球上的生物。
1970年以来，英国科学家在南极站上观测到，每年10月，南极大陆上空的臭氧总量均会减少。根据这个报导，美国科学家立刻查阅"雨云七号"卫星自1978年以来观测的臭氧总量资料，发现在每年10月左右，南极上空确实出现一片几乎与美国面积相当的臭氧总量低值区，并形象地称它为“臭氧洞”。
从此，南极臭氧洞引起了社会各界的关注。美国科学基金会投资亿万美元，支持科学家们对南极臭氧洞的观测研究。自1987年8月至1988年4月，美国科学家在南极地区进行了大规模的臭氧考察，289名科研人员分别在南极地区的麦克默多、阿蒙森-斯科特、帕尔默和塞普尔四站以及“极地公爵”号上进行臭氧观测。
观测结果和历史总量分析表明，自1979年以来，在每年南半球的春季，平流层（约在16公里～30公里高度）中的臭氧含量普遍减少，在8月底或9月初形成臭氧洞；9月～10月，臭氧洞继续扩大；11月，臭氧洞开始消失。至80年代末，南极地区上空臭氧总量仅为70年代的50%左右，1987年最低，有的地方比70年代减少了的近90%。1988年夏天（1月～2月），当臭氧含量低的空气团从南极洲上空移向新西兰上空时，两天内，新西兰上空的臭氧含量减少了20%，一度引起了人们的恐慌。这一事实说明，南极臭氧洞已开始波及新西兰，若继续扩大，可能会影响北半球地区。
南极臭氧洞向新西兰扩展，给世界敲响了警钟，各国纷纷加入了"臭氧洞"的研究行列，一个世界规模的“臭氧洞热”就这样兴起来了。科学家们把注意力集中于研究臭氧洞的形成与预测，以及如何防止臭氧洞的扩大。
当前，对南极臭氧洞形成原因的解释有三种，即大气化学过程解释，太阳活动影响和大气动力学解释。其一，大气化学过程解释，认为臭氧层中可以产生某种大气化学反应，将3个氧原子含量的臭氧（O3）分解为分子氧（O2）和原子氧（O），从而破坏了臭氧层；其二，太阳活动影响解释，认为当太阳活动峰年（即太阳活动强烈的时期）前后，宇宙射线明显增强，促使双电子氮化物（如NO2）与O3发生化学反应，使得奇电子氮化物（如NO3）增加，O3转换为O2；其三，大气动力学解释认为，初春，极夜结束，太阳辐射加热空气，产生上升运动，将对流层臭氧浓度低的空气输入平流层，使得平流层臭氧含量减小，容易出现臭氧洞。
然而，上述解释都有一定的片面性。大气动力学和太阳活动影响的解释都不能说明为什么臭氧洞在近年才发现，也不能解释现在已经发现的全球性的臭氧总量下降。大气化学过程解释能说明以上两个情况，但无法解释臭氧洞只在南极地区上空的春季被发现，而在北极地区上空并未被发现的事实，也无法解释1988年春臭氧洞显著减弱的现象。
近来，人们发现这样一个事实，即，冬季，在南极地区平流层内，因地表长波辐射不断冷却，使得气温可以下降到零下78℃以下，而北极地区平流层内达不到如此低的温度。
初步研究证明，当气温下 降到零下78℃以下时，大气中的水汽吸收了硝酸分子后凝结，形成一种含硝酸的冰晶状极地平流层云（简称PSCs）。它首先形成PSCs Ⅰ型云。当平流层温度再降低几度，纯洁的水汽能够在大气中直接凝结（纯水汽的霜点为-85℃）时，在PSCs Ⅰ型云的表面凝结一层硬的冰壳，形成了PSCs Ⅱ型云。Ⅱ型云的云粒子重，在几个星期内足以下降几千米。由于PSCs中含有硝酸分子，会吸收气态的氮气，使平流层中的气态氮气含量减少，这就削弱了氮气对臭氧的保护作用。这是因为，氮气可以使活泼的氯基形态（即ClOx变为硝基氯，而硝基氯是很难与臭氧起化学反应、破坏臭氧的。再者，由于PSCs表面上的某种化学反应，能产生大量活泼的氯基形态（ClOx），将O3分解为O2和O，破坏臭氧层。
上述这种解释，初步能说明臭氧洞能在南极地区上空形成而不是在北极地区上空发现的事实。
迄今为止，南极地区上空臭氧洞形成的过程和原因，还不能说已经清楚了，还需进一步观测和研究。
目前，要预测南极臭氧洞的变化还很困难。最主要原因是历史资料的年代太短，只有30多年。如何反演臭氧总量历史资料，已开始引起科学家的关注。有人在1984年～1987年春测得南极点站降雪中的NO3值明显比过去增加，其中以1987年值为最大。众所周知，1984年～1987年春以来，南极臭氧总量年年下降，尤以1987年春的臭氧总量为最低；又知，在南极雪层中NO3值是比较稳定的；因此，这种现象有可能是这样引起的：在春季，南极平流层下部极地平流层云使硝酸盐变成低氧化态随雪下降的结果，如果春季降雪中NO3浓度值的增加与南极上空臭氧洞的加强有密切关系的话，则可有望从冰岩芯中测量NO3浓度值随年代的变化来代表臭氧洞强度的年际变化，从而反演南极臭氧的历史资料，为预测南极臭氧洞演变提供一个新的思路与方法。
如何防止臭氧洞再继续扩大，这更是社会关注问题。
一般认为，在人为因素中，工业上大量使用氟里昂气体是破坏臭氧层的主要原因之一。通常，氟里昂是比较稳定的物质，然而，当它被大气环流带到平流层（16公里～30公里）时，由于受太阳紫外线的照射，容易形成游离的氯离子。这些氯离子非常活泼，容易与臭氧起化学反应，把臭氧（O3）变成氧分子（O2）和氧原子（O），从而使臭氧总量减少，形成了臭氧洞。
据此，我们应该限制氟里昂的使用量，逐渐在冰箱、汽车和空调等制冷器中用其它制冷剂来代替氟里昂。中国同其它先进国家一样，已经开始了这方面的工作，国家环保局已专门设有限制破坏臭氧层的科学管理机构。
社会各界关心臭氧洞的变化，无疑会推动保护臭氧层的工作。然而，臭氧洞到底有什么危害，它与人类和生物的关系是怎样的呢？
本来，在离地20公里～30公里的大气层内，是臭氧集中分布的地带，称作臭氧层，太阳辐射透过这层大气时，大量的臭氧吸收了波长较短的紫外线辐射（0.20微米～0.30微米波段），大大减弱了到达地面太阳辐射中的紫外线强度。然而，若臭氧层的臭氧含量大大减少，则吸收太阳紫外线辐射的能力减弱，到达地面的太阳辐射强度会增大。从医学上来说，较短波的紫外线辐射杀伤能力最大，能杀死细胞，破坏生物细胞内的遗传物质，如染色体、脱氧核糖核酸等，严重时会导致生物的遗传病，产生突变体，导致人类的皮肤癌。强烈的紫外线还可以穿透海洋10米～30米，使海洋浮游植物的初级生产力降低四分之三左右，抑制浮游动物生长。
人们一旦了解了臭氧洞的危害和形成原因，相信会对臭氧洞演变的预测和防止提出新的理论和方法。
［上一页］ ［下一页］
|
