臭氧洞(Ozone Hole)

早在1974年,美國加州大學兩位教授 - 羅蘭德(F. Sherwood Rowland)及莫里納(Mario J. Molina)在科學期刊Nature發表文章,明白指出人造的氟氯碳化物,簡稱CFCs,由於其化學性質相當穩定,生命期長達數十年至百年之久,因此會在大氣中不斷累積,最後其分子上升至臭氧層以上的平流層(距地表約40公里以上),將會被高能的紫外線分解而釋出氯原子,當這些氯原子降至臭氧層高度(距地表約20至30公里)時,將引發催化反應破壞臭氧分子,致使臭氧層的厚度變為稀薄。

CFCs自1970年開始被大量生產及使用,在工業上應用範圍廣泛,至1986年時全球CFCs消費量已達113萬公噸,其中約有70%的量,會排放至大氧中。由於一個氯原子在失去活性以前,足以破壞一萬個臭氧分子,因此對臭氧層造成莫大的威脅,其過程如下圖所示。

化學反應式 淨反應
CFC + hν → Cl  
Cl + O3 → ClO + O2

O3 + O → 2O2

ClO + O → Cl + O2  

 

臭氧層被破壞示意圖

alt

在1985年,英國南極觀測站的科學家法曼(Joseph C. Farman)等人發現,從1977~1984年,每年南半球的春季時(約9~12月)南極上空的大氣臭氧含量約減少了40%以上,其他研究機構也證實這項發現,並指出臭氧量急遽減少的區域面積甚至大於南極大陸,高度則是介於12~24公里之間的平流層,這就是所謂的「臭氧洞」(Ozone Hole)。其實臭氣洞並不是真正有個「洞」,而只是表示臭氧含量反常稀少的區域。南極臭氧層厚度變化極大,從100至400 Dobson Unit,而厚度若在220 Dobson Unit以下,即稱為臭氧層破洞。

雖然科學已經知道CFCs是造成臭氧洞的主要原因,但是由於南極地區特殊的氣候型態,使科學家相信,南極臭氧洞應是平流層化學反應與大氣環流變化等多種因素交互作用下的結果。北半球的污染物主要釋放在大氣的對流層中,但在對流層中並不會受到破壞,當經過了大氣的循環作用傳送至平流層時,才能吸取紫外線作光化學反應,但此時南北半球在平流層的污染物密度,經過了充分混和後並無很大差異。

造成CFCs在南極上空較易產生光化學反應而形成臭氧破洞的主要因素是南北極圈海路的差異性。南極大陸塊的平均溫度因海洋調節的緣故比北極圈的平均溫度低,南極冰凍大地的上空平流層溫度非常的低,而較易形成所謂的極區平流層雲(PSCs, Polar Stratospheric Clouds)。CFCs經過了大氣中化學反應會形成ClONO2及HCl等化合物(稱為氯貯存物質),並被吸附在PSCs表面。而PSCs中所含的冰粒,不僅會使氯貯存物質釋放出氯,更會進一步妨礙氯貯存物質的生成,加速臭氧與CFCs光化學反應,因此南極圈臭氧層的破壞速度會較北極為高。

除PSCs外,另一種與南極臭氧洞形成有關的氣候特徵,是所謂的「極地渦旋」(polar vortex)。極地渦旋形成的時間大約是在每年的5、6月間,也就是在南極冬季開始時,由強烈的冷氣團環流所形成的渦旋,這種現象會一直持續到大約11月,當溫度回升時,極地渦旋才會消解。由於形成極地渦旋的冷氣團風速強勁,因此渦旋內部的空氣會與周圍的大氣完全隔離,而從低緯度地區所吹來溫暖而富含臭氧的空氣,便無法進入渦旋,使內部溫度無法上升,而有助於生成PSCs,造成臭氧分解;同時,能吸收紫外線輻射,使大氣溫暖的臭氧被分解,氣溫亦愈下降,又促進了PSCs的生成,也使低溫的極地渦旋更為穩定。這種渦旋和PSCs互相回饋的機制,使南極臭氧含量在每年大約10月間達到最低點,之後,隨著溫度回升,渦旋瓦解,PSCs也隨之消融,南極臭氧量方逐漸回升。

雖然北極不會形成如南極一般的強大渦旋,而且北極渦旋存在的時間較短,因此目前臭氧分解情形並不嚴重。但是科學家已在北極上空發現有與南極相同濃度的氯,若再加上渦旋和PSCs之間的回饋作用,近年來在北極也發現有在冬季減少,形成類似臭氧洞的現象。尤有甚者,根據世界各地地面站和人造衛星的觀測結果,長期以來,全球除熱帶地區之外的大部分區域,平流層臭氧都有稀薄化的傾向。

 

南極臭氧洞形成機制圖

alt

 

回顧CFCs破壞臭氧層的重要歷史事件:

  • 1974年6月: Rowland 與 Molina 在 Nature 期刊上發表 CFCs 會破壞平流層的臭氧。
  • 1984年10月:英國科學家 Joseph Farman 在南極的垂直觀測,發現近40%的臭氧已消失,並懷疑為CFCs所導致。
  • 1985年8月:美國太空總署將衛星所拍攝之圖片公諸於世,確認了南極上空臭氧層已減少,形成一個臭氧洞。
  • 1986年8月:美國十三位科學家組成國家臭氧層探險隊,展開遠征南極之旅。
  • 1987年5月:美國科學家 Jim Anderson 以其發展的分析方法證實破壞臭氧的物質為ClO。
  • 1994年11月:美國太空總署發布 UARS 全球衛星遙測結果,顯示平流層之氯與氟完全源自CFCs的分解產物。至此,有關CFCs的爭議終於塵埃落定,CFCs是破壞臭氧的物質。
  • 1995年11月: Rowland 、 Molina 以及 Crutzen 三人因對臭氧平衡機制研究有重要貢獻而共同獲得諾貝爾化學獎。