臭氧消耗問題影響探究

連霄宇 袁成人

摘 要：從20世紀80年代，人們發(fā)現(xiàn)臭氧消耗帶來負面影響，為此人們開始采取措施對臭氧進行保護。對過去三十年數(shù)據(jù)的分析，我們得到結論是：除去不可抵抗因素外（火山噴發(fā)、太陽周期有關現(xiàn)象等），全球臭氧含量年平均值將趨于穩(wěn)定；部分地區(qū)、不同季節(jié)仍有差異。

關鍵詞：臭氧消耗；環(huán)境溫度；風速；ODGI

一、臭氧消耗問題現(xiàn)狀

1985年英國南極考察隊觀測發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，引起世界各國極大關注。為此，1985年，20個國家簽署了保護臭氧層的維也納公約。且于1987年在世界范圍內簽訂了限量生產和使用氯氟烷烴等物質的《蒙特利爾協(xié)定》。20世紀50年代到70年代就發(fā)現(xiàn)臭氧濃度有減少的趨勢。其明顯現(xiàn)象為：

（1）地球平流層中臭氧總量（臭氧層）穩(wěn)步下降

（2）春季平流層臭氧減少尤其劇烈，這一現(xiàn)象也稱為臭氧層空洞——常出現(xiàn)在地球的兩極地區(qū)。

（3）除了這些眾所周知的平流層現(xiàn)象，也有春季極地對流層臭氧損耗事件。

關于臭氧層空洞的形成，在世界上占主導地位的是人類活動化學假說：人類大量使用的氯氟烷烴化學物質（如制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑等），產生氯氟烴與鹵代烴、氧化亞氮等氣體，在大氣對流層中不易分解，當其進入平流層后受到強烈紫外線照射，同臭氧發(fā)生化學反應，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴重破壞。而臭氧層的臭氧濃度減少，使得太陽對地球表面的紫外輻射量增加，對生態(tài)環(huán)境產生破壞作用，影響人類和其他生物有機體的正常生存。

二、科學分析臭氧消耗原因

我們需要建立一個數(shù)學模型，用來預測未來50年內臭氧水平。我們通過網絡上的文獻和資料，了解到了影響臭氧總量的主要原因：1）人為影響，人類活動產生的含氯化合物進入大氣層；2）區(qū)域性天氣動力學過程3）與太陽活動周期有關的自然現(xiàn)象過程4）火山活動。我們忽略掉3、4兩條原因，主要考慮人類活動因素和自然因素的原因。對于人類活動因素，我們考慮到了人口密度和消耗臭氧的化學物質。

我們選取了五個不同的觀測站（SPO.BIS.PTH.OHP.FBK）進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，觀測站的選取主要根據(jù)：所述地區(qū)的人口密度、經濟發(fā)展程度、所在地緯度。對于消耗臭氧的化學物質，我們通過ODGI這一數(shù)據(jù)在近二十年的分析，以及發(fā)達國家和發(fā)展中國家對于ODGI內各項數(shù)值的影響和總體影響。初步得到結論，根據(jù)得到結論進行模型假設。驗證模型過程中，我們首先選擇了南極作為我們的研究對象，之所以選用南極作為研究對象，是由于我們在分析數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，近三十年內，南極臭氧總量的變化浮動最為強烈，年內變化也有明顯的周期太浮動，為了能夠通過一個站點來驗證多個站點，已達到用個體來驗證總體的過程，故選用南極作為研究對象來預測全球的臭氧含量變化。了解大氣物理學一書，進行大氣運動的尺度分析，運用大氣垂直運動方程，了解到能夠影響臭氧在南極變化的原因：1）ODGI消耗臭氧；2）南極風速的影響；3）南極溫度的影響。這也是我們建立模型的自變量。我們在網上搜索到有關文獻和詳細數(shù)據(jù)，分類匯總，把所有數(shù)據(jù)按照年、月、日統(tǒng)計并分類比較做差，再用matlab結合所建立的數(shù)學模型進行多項式擬合得到較為準確的結果。說明我們建立的模型符合南極近臭氧含量近十年的變化。然后我們把其他四個監(jiān)測站用這個模型進行檢測，得到我們的結論。

三，實驗數(shù)據(jù)分析

通過去三十年數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)近十年來，臭氧總量水平幾乎穩(wěn)定，不像20世紀80時年代數(shù)據(jù)下降明顯。產生這種情況的原因是：近年來人類控制消耗臭氧的物質排放，主動保護臭氧。所以在分析對未來50年的預測過程中，我們不需要再用龐大的數(shù)據(jù)庫來逐年進行分析，只需要把近十年的數(shù)據(jù)處理好。如果再把三十年的數(shù)據(jù)與近十年的數(shù)據(jù)整合到一起，反而會破壞模型。相當于改變了模型變量的條件。

我們節(jié)選12年的數(shù)據(jù)，以月為自變量，以臭氧含量為因變量，通過MATLAB多項式線性擬合，得到各個站點年間臭氧總量水平變化。

SPO：y=0.0384x+236.5719

BIS：y=-4.4596*10^{-4}x+330.6132

FBK：y=-0.0205x+359.6956

PTH：y=-0.0015x+282.6665

OPH：y=-0.0516x+323.1366

得到各站點的擬合圖和擬合方程可以得出以下結論：

（1）在北半球，大部分地區(qū)臭氧層的厚度在春季變大，秋季變小，高緯度地區(qū)變化凡更明顯。

（2）全球范圍內，氣柱臭氧總量變化范圍約為200～450DU，平均約為300DU.，有年震蕩現(xiàn)象。

（3）在南半球春季臭氧含量明顯減少，甚至達到100DU，在學術上成為臭氧洞。

綜上，我們選取南極作為研究對象，進行分析。

（4）南極近12年臭氧總量變化

南極2005-2016各月臭氧總量圖

通過上圖發(fā)現(xiàn)，每年2-8月臭氧總量平穩(wěn)，但是在9-11月——春季臭氧出現(xiàn)驟降，這就是所謂的臭氧空洞現(xiàn)象導致。

這與南極以外地區(qū)全年各季節(jié)臭氧總量變化趨勢都有所不同。

主要造成這部分現(xiàn)象的原因有；

（1）南極平流層3月份開始出現(xiàn)極地渦旋一直維持到9月份，這種極地渦旋一方面阻止了臭氧的經向交換，使得低緯度上空的臭氧難以進入渦旋予以補充。另一方面使得渦旋內產生的臭氧得以保存，成為一個準封閉系統(tǒng)。所以3月到7、8月間臭氧含量相對穩(wěn)定，這是出現(xiàn)臭氧洞的必要條件。

（2）大氣動力學原因：大氣動力不會減少臭氧，但它能將臭氧重新分布。大氣化學原因：氟氯化物對臭氧的破壞作用，這些物質主要是北半球中緯度地區(qū)排放的，在大氣環(huán)流作用下能長距離運輸并擴散到達平流層。可破壞臭氧的氟氯化物由于大氣壓力作用被送入平流層，且在穿越對流層時由于低溫相當部分沒有在低空反應。平流層上太陽輻射使氟氯化物分解出氯原則子破環(huán)臭氧。

結論：全球臭氧年總量將趨于穩(wěn)定，并且有年周期的震蕩現(xiàn)象。南極春季的臭氧總量變化，與當?shù)氐臏囟瘸删€性關系，當?shù)販囟仍降统粞醯臏p少速度會越快。溫度對臭氧的產生沒有直接的原因，但是可以間接的反映出臭氧總量變化的趨勢。

（作者單位：武漢理工大學）