為什麼臭氧洞出現在南極？ - 地球科學討論

※ [本文轉錄自 Ecophilia 看板 #17BtMTSz ]

作者: Waitingchen (Rejoyce ) 看板: Ecophilia
標題: Re: [問答] 為什麼城市製造溫室效應 卻在南極破洞？
時間: Tue Nov 6 03:57:14 2007


※ 引述《weitzern (高級雜工)》之銘言：
: ※ 引述《nantonaku (nantonaku)》之銘言：
: : 我朋友問我說
: : 為什麼製造廢氣、排放大量CO2、造成溫室效應的是城市
: : 但是臭氧層破洞卻破在南極？
: : 為什麼不直接在城市上空破洞？
: : 我答不出來……
: : 請問有人可以答嗎？
: : 謝謝喔
: 我不是專業的，我只會google。
: 「……CFCS主要是由北半球工業國家所排出，但為什麼至今最大的臭氧洞是出現在南極而不
: 是在其他地方？顯然南極特殊的地理環境和氣候狀況，與臭氧洞的形成有密切關聯。冬季
: 在極區上空平流層形成的漩渦阻斷了空氣的交換，造成極低溫狀態（低於攝氏負八十度）
: ，這種極低溫有助於極性冰晶雲產生。氟氯碳化物經過化學反應形成CIONO2、BrONO2和
: HCI等化合物，被吸附在冰晶表面。當早春陽光出現時，這些化合物被轉換成化性活潑的
: CI、Br或CIO、BrO以驚人的效力造成O3大量損耗。」
: （老實說化學式那堆有的沒的我真的看不懂）
: 北極亦出現類似狀況，但沒有南極嚴重，原因請參見pdf檔！
: http://www.shs.edu.tw/works/essay/2005/10/2005103121044287.pdf
: 作者是明道中學高中部的學生喔，真是太專業了！


其實weitzern查到的這一篇寫得就很詳細了，
但是我被點名了所以就來解釋一下好了。

下面說的是針對平流層的臭氧，
跟在近地面影響空氣品質的臭氧雖然是同一種物質，O3，
主宰生成與消失機制的化學反應卻很不一樣，
而且阻絕紫外線的主要是平流層的臭氧，
近地面的臭氧只會讓人過敏不舒服....

（1）自然狀況下，南極冬末春初的平流層臭氧濃度就比其他地方低

平流層的臭氧需要陽光照射才會形成，
因為一年之中陽光直射赤道的時間最多，
所以大氣中主要製造平流層臭氧的地方是赤道高空。

而平流層的大氣環流是從赤道往南北兩極流動，
赤道上空生成的臭氧會被環流傳送到中高緯度，
因此高空臭氧的分布狀況大致是赤道濃度低，中高緯度濃度高。

但如果觀察臭氧濃度的季節變化，
會發現南極在冬末春初的臭氧濃度，
會比其他緯度任何季節都更低。
這是兩個原因配合下的結果，
一是破壞臭氧的化學物質在低溫下更有效，
二是南極冬季溫度比其他地方都來得低。

南極冬季溫度比北極低，
原因已經有幾個人提到了，
主要是因為南極是個完整平坦的大陸，周圍都是海洋，
在冬季進入永夜後，大陸很快就降溫冷卻，
跟海洋的溫差對比幫助大氣發展出一個封閉的渦漩環流，
籠罩在南極大陸上空，
南極周圍的海流也是類似的封閉環流，
所以中低緯度比較溫暖的空氣難以進入，
溫暖的海水也沒辦法流入調節溫度，
所以南極冬季溫度會迅速降低。

至於破壞臭氧的化學物質，天然狀況下其實就存在著，
主要是氯原子（Cl）、溴原子（Br）、氮氧化物（NOx）跟氫氧化物（HOx）等，
所以平流層臭氧原本就有一個固定的消失速度。
這些化學物質很容易附著在雲的冰晶上，
而低溫有利於冰晶生成，
正好南極冬季溫度最低，
所以有比較多的冰晶可以儲存這些化學物質。

當春天陽光開始照射到南極，
冰晶融化將化學物質釋放，
一下子就產生破壞臭氧的化學反應，
偏偏封閉的大氣渦漩要到春末才會打開，
低緯度的空氣沒有辦法被傳送進來補充臭氧，
南極上空就像一個獨立的「臭氧摧毀反應爐」，
讓當地臭氧濃度快速降低，
所以南極在冬末春初原本就會個天然的臭氧極低值。


（2）人為排放的氟氯碳化物，在南極更能發揮破壞臭氧的功效

人為排放的氟氯碳化物（CFC）生命期很長，
雖然排放點集中在北半球工業國，
卻會隨著大氣環流的傳送，慢慢累積在南北兩極。
由於南極的環流比北極更封閉，
所以CFC只要被傳送進南極上空就近似與外界隔絕，
長時間下來，南極上空CFC的濃度就變得比其他地方高。

偏偏這些CFC被陽光照射後會慢慢分解產生氯原子，
參與破壞臭氧的反應，
（恐怖的是，參與反應後這些氯原子還不會消失，可以一再循環使用，
要等到它們自己從天上落下來，或被雨水雪水沖刷下來，才會離開大氣）
之前提過南極冬末春初之際，
平流層臭氧濃度已經很低，
這些CFC貢獻的氯原子讓臭氧破壞的速率更為增加，
因此使臭氧濃度比自然狀況更低，
也就形成了所謂的「臭氧洞」。


（3）全球暖化與臭氧洞的關係

臭氧洞的成因是因為人為排放CFC，貢獻許多破壞臭氧的氯原子，
全球暖化則是因為人為排放溫室氣體，讓地球不容易靠紅外線輻射散熱降溫。

臭氧洞跟全球暖化沒有因果關係，
但有幾個相關之處：

a.CFC可以破壞臭氧，同時也是一種強力的溫室氣體

CFC生命期跟二氧化碳差不多，
吸收紅外線輻射的能力卻比二氧化碳高數千至萬倍，
所以雖然CFC的濃度只有二氧化碳的十萬分之一，
目前造成的溫室效應約是二氧化碳的1/4，
幸好因為國際公約禁用，CFC對暖化的貢獻正逐年降低。

b.全球暖化會阻礙臭氧洞的自我復原

因為溫室氣體增加，地面散熱排放的紅外線輻射都被保留在低層的大氣，
雖然地面出現暖化，平流層的溫度反而降低，
之前提到破壞臭氧的化學反應溫度越低越有效，
因此儘管CFC濃度受控制而下降，
全球暖化卻使平流層的溫度變得不利於臭氧洞復原。

c.臭氧也是一種溫室氣體，臭氧洞抵銷了小部份二氧化碳造成的暖化

雖然臭氧生命期比較短，溫室效應能力也不算很高，
但仍然是一種不能忽略的溫室氣體。
過去數十年平流層臭氧濃度下降，
其實有略為幫助氣候冷卻（約是二氧化碳暖化效果的1/10），
不過對人類而言，這一點點冷卻的好處，
難以抵銷臭氧減少使得地面入射紫外線增加的危害。


--