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臭氧层与生命
时间:2019-01-21 10:41 来源:网易科学

  1995年诺贝尔化学奖授于对臭氧层的浓度平衡机制研究卓有成效的3位大气化学家,克鲁岑、罗兰和莫里那。从1840年Soh” nbein发现臭氧气体至今已157年,在这漫长的岁月中,随着科学及测量技术的不断进步,人类对臭氧层的认识日益深入,其中有著名的Chapman臭氧层光化学理论(1930年)及罗兰-莫里那理论(1974年)。1985年,法曼发现南极臭氧层有严重损失,1995年初,美国太空总署发布了卫星遥感测量结果,证实了罗兰-莫里那理论,使人们认识到臭氧层对于生命、全球气候以及人类的未来至关重要。
    在地球的大气层中,臭氧(O3)的含量极少,仅占空气的几百万分之一,主要集中在离地面10~50km的平流层,臭氧和氧气是氧元素的同素异构体,呈淡蓝色,因有一种鱼腥臭味,故名臭氧。1930年(Chapman首次提出了高空臭氧形成和破坏的理论,认为,臭氧的形成及破坏均与太阳中紫外辐射有关。
    氧及臭氧层的出现是生物进化发展的一个非常重要的转折点。据考,约25亿年前,地球不存在气体氧或很少,因而太阳中的紫外辐射可直接到达地球表面,太阳辐射的总能量中,紫外区段占到近1.5%。高能量的紫外辐射对化学进化乃至生命诞生的化学反应起到很重要的作用,尤其是240~290纳米的紫外区段对今天的生命本质物质——核酸和蛋白质有严重的破坏作用,假如没有臭氧层挡住紫外辐射,地球陆地上将荒芜一片,现在任何形式的生命在陆地上断难存在,这或许是生命诞生于原始海洋中的原因之一,有些科学家就曾提出,在原始海洋中的一定深度——足以过滤大多数紫外辐射,留下充分的紫外辐射来促成生命前驱的化学反应。
    另外,有资料表明,生命在34亿年前就已发生,那时的生命只能存在于海洋中,以防止紫外辐射的灼伤致死。其次,其进化速度与后来的生物相比甚为缓慢,因为海洋环境较之陆地环境稳定而均一得多。然而,海洋中的有机物毕竟是有限的,栖息于海洋中的原始生物生息发展最终会因食物匮乏而面临灭顶这灾,在这严重的选择压力下,能进行光合作用自己制造营养的自养生物诞生了,它们固定太阳能,用CO2合成营养,同时放出O2。由于自养生物不断发展,地球大气中O2的浓度不断升高,当时地球上的原始生物,绝大多数是厌氧的,然而为了生存,有许多形式的生命被迫接受了O2。这样,O2的大量出现,改变了生物进化的过程,第一,接受了O2的生物由原来的无氧呼吸变成了有氧呼吸,呼吸效率因此而提高了大约19倍,得到迅速而蓬勃的发展;第二,大量氧气吸收紫外辐射在地球中层大气形成了臭氧层,为海栖生物登陆发展提供了前所未有的“安全”环境,确实,当初简单的动物正是有氧后出现并得到进化发展的。在这漫长的二十几亿年的发展中,生命不知经历了多少次的兴衰。然而其间无论是旧种的灭绝,还是新种的诞生,除极少数生命早期遗留下来的厌氧种外,其余无一例外都是需氧的,尤其是产氧的绿色植物的繁荣发展,使臭氧层与生物相互依赖到了今天。然而,现在,臭氧层越来越受到人类活动的威胁。1985年,英国的约瑟夫·法曼在《自然》杂志上发表了他在南极做了近30年的臭氧观测结果,南极的臭氧浓度在几年间剧降了50%。高空臭氧本身存在自然的生成和破坏的动态平衡机制,然而随着人类工业文明的高度发展,这种平衡正在被人类所打破,尤其是本世纪以来,人造的氯氟碳化物,如CFC-11及CFC-12(俗称氟城昂)等,被广泛用作气雾剂、烟雾剂的压缩气体、泡沫充填材料及冰箱等的制冷介质。这些氯氟碳化物会在产品使用过程中或寿命结束后,被排放到大气中。由于此类物质性质极稳定,唯一的损失途径是紫外辐射照射下分解。当它们飘至臭氧层上空,高能的紫外辐射破坏其碳氯键,释放出氯原子。氯原子像催化剂一样,使臭氧破坏而消耗,即 Cl+O3→ClO+O2,ClO+O→Cl+O2。据计算,平均一个氟原子可以消耗10万个臭氧分子。对臭氧层有严重影响的还有氮氧化物,最明显的是NO。NO的来源主要是微生物的活动及飞机和汽车发动机产生的。此外,甲烷也被认为是对臭氧层破坏有重要影响的物质。据科学家估算,高空臭氧每减少1%,就会有额外2%的紫外辐射到达地球表面。这些紫外辐射会严重损伤动植物,并使人类皮肤癌的患病率大大提高。
    臭氧层除了屏蔽大量太阳中的紫外辐射外,还参与了大气环流。臭氧的减少,不仅直接给地球上的生命带来惨重的损失,而且使地球大气低层变暖、高层变冷,加重温室效应,从而导致地球气候和大气形式的更大变化。
    近年来,大气臭氧研究在国际组织的协调下显得十分活跃。相信在21世纪人类定会为保护臭氧层做出卓有成效的努力。



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