什麼是臭氧層?

        臭氧(O3)是一種具有刺激性氣味,略帶有淡藍色的氣體,在大氣層中,氧分子因高能量的輻射而分解為氧原子(O),而氧原子與另一氧分子結合,即生成臭 氧。臭氧又會與氧原子、氯或其他游離性物質反應而分解消失,由於這種反覆不斷的生成和消失,乃能使臭氧含量維持在一定的均衡狀態,而大氧中約有90%的臭 氧存在於離地面15到50公里之間的區域,也就是平流層(Stratosphere),在平流層的較低層,即離地面20到30公里處,為臭氧濃度最高之區 域,是為臭氧層(Ozone Layer),臭氧層具有吸收太陽光中大部分的紫外線,以屏蔽地球表面生物,不受紫外線侵害之功能。

 

臭氧層為何日漸稀薄?

        早在1974年,兩位美國科學家提出理論說明,一系列的化學合成物質叫做氟氯碳化合物,簡稱CFCs,由於其化學性質相當穩定,所以其分子要上升到平流層 才會分解,此時CFCs中所含氯會被釋出,而破壞臭氧。CFCs自1970年開始大量生產及使用,1986年全球CFCs消費量達113萬公噸。其中約有 70%的量,會排放至大氧中,CFCs化性安定,生命期長達數十年至百年之久,因此會在大會中不斷累積,最後上升至平流層。在這裡受到紫外線照射而分解產 生氯原子與臭氧反應,使臭氧分解消失。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。

 

什麼是氟氯碳化物?

        破壞臭氧層的元兇,即是俗稱氟利昂(Freon)的氟氯碳化物,由於穩定性高,不自燃、不助燃也不易起化學變化,以及對人體傷害較小等優點,因而使用遍及 各種工業及日常生活用品。其中又以CFC-11(CCl3F)、CFC-12(CCl2F2)及CFC-113(C2Cl3F3)三種原料佔最大使用量。

        除了氟氯碳化物(CFCs)外,會破壞臭氧層的人造化學物質還包括氟氯烴(HCFCs)、海龍(Halon)、四氯化碳(CCl4)、1,1,1-三氯乙 烷、氟溴烴(HBFC)和溴化甲烷。其中以海龍對於臭氧層的破壞力最強,是常見的滅火劑;HCFCs和CFCs相同,使用最為廣泛,包括冷凍空調設備的冷 媒、塑膠泡綿的發泡劑、噴霧式產品的噴霧推進劑、電子產品及金屬的清洗溶劑等用途;四氯化碳的毒性最強,已被列入毒性化學物質加以管制;溴化甲烷則主要使 用於農業及檢疫用途。

 

為何要拯救臭氧層?

        臭氧層在離地面十五至三十公里的大氣中為我們隔絕了大部分的紫外線,使我們可以安然地在地球上生活,不會受到有害紫外線的侵害。然而我們日常生活及工業製 程中使用的數種人造化學品,卻在釋放之後飄到高空吞食我們的臭氧層,造成臭氧層的損耗。相信大家都聽過“南極臭氧洞”,事實上,據監測資料顯示,近幾年台 灣上空的臭氧層也有稀薄的現象,臭氧濃度比正常值低了將近百分之四。 
而臭氧層遭破壞的結果使得到達地面的有害紫外線增加,導致皮膚癌及白內障的罹患率增高、免疫系統降低、植物生長受到抑制、水中生態系統平衡受到破壞、建築物等材料加速老化等現象。如果我們不趕快想辦法拯救臭氧層,人類將面臨一場可怕的浩劫。

 

什麼是臭氧洞?

        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,春季時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。

 

為何氟氯碳化物主要產自北半球,而臭氧洞為何會先發生在極區?

        氟氯碳化物的確主要產自北半球如歐洲、蘇聯、日本、北美等國家。然而,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、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。

 

氟氯碳化物比空氣重好幾倍,如何能進入大氣之平流層﹖

        由於大氣層是流動的,風力攪拌使空氣與氟氯碳化物混合之速度遠較氟氯碳化物藉重力沈降之速度為快。氟氯碳化物不溶於水,並在10公里以內之低空幾乎無反應性,故極容易藉由風力而到達平流層。

 

臭氧層被氯及溴破壞的證據是甚麼﹖

        根據實驗室之研究氯(或溴)能與臭氧迅速反應,產生氯氧化物(ClO)中間物,並繼續與臭氧發生連鎖反應。許多科學經驗證實當大氣具有與實驗室相同之溫度 與壓力時,氯與氧必起反應。此外,根據滿載各種化學物質之監測儀器而來回飛越南極上空之飛機、氣球及人造衛星之量測發現了臭氧及氯氧化物,同時亦發現臭氧 之濃度隨氯氧化物(含溴氧化物)之濃度增加而減少。

 

何以平流層之氯非來自自然界﹖

        經由蒸散反應進入大氣之氯(如海洋表面、火山、游泳池所使用之清潔劑),大多在到達平流層以前即被雨、雲、冰、或雪所吸收。然而氟氯碳化物具有不溶於水, 及在低空中不分解之性質。此外,1985年及1992年測量所有含氯物質,結果發現幾乎都可歸因於人類使用氟氯碳化物所引起,同時,其量之增加亦與該時期 人類大量使用氟氯碳化物相符合。

 

臭氧層之變化是否因太陽光變化所引起﹖

        由於紫外線影響臭氧之再生,故有人懷疑臭氧層之變化乃起因於太陽光之變化。在太陽黑子11年之循環週期中,太陽輻射能量的確有些變化。然而根據1960年 起觀察數個太陽黑子循環週期發現,因太陽光之變化而減少臭氧程度至多為12%,遠比觀察到臭氧層已減少60%為低,故臭氧層之變化並非由於太陽光變化所引 起。

 

南極上空臭氧層破洞何時初次出現﹖

  1980年所觀察到南極上空臭氧層開始顯著減少。 南半球每年適逢春季時期(9,10;月)南極上空之臭氧會突然減少(目前已減少60%),此即為臭氧洞逐漸形成之原因。該濃度較低之部位跟周圍的臭氧濃度比起來,有如破洞一般,故以此命名。

 

臭氧層破壞的嚴重程度如何﹖是否會繼續惡化﹖

        根據全球之監測,過去二十多年以來,臭氧一直在減少之中。自1960年中期,全球平均損失臭氧5%,而在歐洲、北美及澳洲等地區,春冬季臭氧累計損失 10%,秋夏季則為5%。自1970年末,由於人類大量使用氟氯碳化物,每年南半球春季(9、10月間),皆造成其上空臭氧減少60%之臭氧洞。在 1992年及1993年許多地方臭氧下降至20%,南極之上空亦低於60%。一般相信,如此不尋常現象,與1991年菲律賓Mount Pinatubo火山爆發,產生大量硫酸鹽煙霧物質有關。1987年各國簽訂蒙特婁議定書,並於1992年簽署哥本哈根等數個修正案,同意提前於1996 年1月1日起全面禁止氟氯碳化物之生產與消費,如此可預期幾年之內,平流層之臭氧含氯與氟之量將達到最高,然後開始減少,預估大約2050年臭氧層應可完 全恢復。

 

臭氧層耗盡對人體健康及環境之影響?

        由於臭氧能吸收波長230至350  (埃)的紫外線,失去臭氧層的保護,將使地球生物圈暴露於更多的紫外線下,這可能會造成:(1)人 類皮膚癌罹患率的增加,(2)免疫系統受抑制,(3)人體白內障罹患率增加,(4)農作物減產,(5)水生系生態系受破壞,(6)加速室外建材老化, (7)氣候影響及溫室效應間接造成海平面上升。

 

破壞臭氧物質之管制措施?

        基於繼續使用CFCs將導致地球臭氧保護層被破壞之共識,聯合國環境委員會(UNEP)召集世界各國共商對策,1985年共有24個國家 於維也納達成保護臭氧協議「維也納條約」(Vienna Convention),並決定研議一管制措施之國際公約以補該協議之不足。1987年9月16日再於加拿大蒙特婁市舉行會議,並由全世界二十餘個國家共 同簽署了「蒙特婁議定書」(Montreal Protocol on Substances That Deplete The Ozone Layer),氟氯碳化合物使用之國際性限制行動也正式開始。

 

臭氧層破洞是否可以人造臭氧來補救?

        理論似乎可行,實際上卻很難實踐。首先,修補臭氧層所需的臭氧數量相當大,人工製造數量並不足修補;縱使人造臭氧量足夠,如何運輸至臭氧層,在技術上亦難以克服;相關所需經費龐大恐難以估計。

 

民眾如何協助保護臭氧層?

        避免購買仍舊使用氟氯碳化合物的產品,例如:不買利用CFCs為發泡劑所製成的塑膠和紙的產品;不買以CFCs為動力的噴霧罐和其他含有CFCs非必需的 產品;考慮暫緩購買新的空氣調節器和冰箱,等到目前已在發展和試驗階段之新的化學物品和科技替代品上市。另外為保護個人健康,應避免過度在太陽底下曝曬, 以及使用防曬油保護皮膚,避免受紫外線照射。

 

如何尋求氟氯碳化合物及海龍之替代品?

        目前科學界及工業界趨向由「發展可替代之化學品」、「製造新產品」及「改善技術」三方面尋求CFCs及氟溴烷(Halon)之替代品。 

1. 發展可替代之化學品:大多數人主張以CFC-123代替CFC-11及以CFC-134a代替CFC-12、作為冷凍劑、發泡劑及液化氣體推進劑,因為 CFC-123及CFC-134a對臭氧破壞力較小,但是發展成一個既經濟且商業化的製造程序仍有些技術性的問題待解決。 
2.製造新產品:例如丙烷,目前常被遊樂場所用來當作冷凍劑,許多液化氣體產品則被碳氫化合物所取代。 
3.改善技術:儘可能重新設計生產步驟和工作流程以便將CFCs再循環利用及減少其釋放到大氣層,例如大部份的除臭劑都已以固體棒取代噴霧式,電子製造工業的水溶液清潔技術正取代以CFC為主的清潔技術。

 

「蒙特婁議定書」之由來 ﹖

        根據二十多年科學證據之收集顯示應用於冷凍、空調、發泡、電子清洗劑及溶劑之氟氯碳化物(CFCs)、四氯化碳、三氯甲烷及作為滅火劑之海龍 (halon,含碳、溴、氟等) 為主要破壞臭氧層物質。1985年國際間互相協調通過「維也納保護臭氧層協定」,1987年9月16日世界51個國家在 加拿大蒙特婁市舉行國際會議,其中24個國家簽訂「臭氧層保護條約協定書」亦即「蒙特婁議定書」,規定各國階段性減少五種氟氯碳化物及三種海龍之消費量與 生產量。1989年1月1日起蒙特婁議定書正式生效,並每年召開一次締約國大會,簽訂蒙特婁議定書原案之國家已達174個。由於美國及其他先進國家之支 持,蒙特婁議定書規定1996年1月1日起不得生產及消費氟氯碳化物,未簽署之國家可能會遭到貿易抵制。

 

要如何回收CFCs冷媒?

        回收再利用有二種方法,一種是用冷媒回收機將冷媒回收後送交冷媒純化公司或自行再精製,另一種是用冷媒回用機將冷媒回收純化成為回用冷 媒。除了積極保護臭氧層外,由於CFCs也屬於溫室氣體的一種(例如CFC-11之溫暖化潛勢GWP值為5000,CFC-12之GWP值為8500), 將其回收再利用不但可降低其使用量的增加,進而減少其排放到大氣中的量,對於溫室效應氣體減量,也具有極大的助益。
1.回收的定義是只將冷媒從設備或系統抽出來,未進行任何其他動作。 
2.回用的定義是使用冷媒回用機將冷媒抽出後簡單純化(即回用機本身即具備回收及簡單純化的功能)。回用冷媒因只經簡單純化,純度沒有原生冷媒(沒有用過的冷媒)那麼好,最好限制用回原來的設備,但在執行上有困難,所以只要用在同型的設備應都可接受。 
3.再精製的定義是使用較高級的程序將回收冷媒純化,所以純度會比回用機純化的冷媒高。通常再精製的設備比較貴,所以一般有回收冷媒的公司都是將回收冷媒送到有再精製設備的地方。而再精製冷媒因純度高,和原生冷媒差不多,所以可用在任何設備。