臭氧,分子量 47.9982 ,氧气分子量 32 。

按理说臭氧比氧气重,应该更接近地面,为何地球上大部分臭氧都在平流层?难道在牛顿万有引力理论统治下的世界,还有特殊的存在。那么这里就涉及大气层中的臭 氧-氧气循环,让我们来一起了解下。

一、臭氧层

大气中臭氧含量最高的地方是平流层,即离地面约10至50公里(或约6至31英里)处的臭氧层。然而,即使在这一“层”中,臭氧浓度也只有百万分之二到 八,所以那里的大多数氧还是以双氧的形式存在,也就是O2,体积大约是百万分之210,000。

尽管臭氧层中的臭氧浓度非常小,但它对生命至关重要,因为它吸收了来自太阳的对生物有害的紫外线(UV)辐射。氮气会滤除极短或真空的紫外线 (10–100 nm)。能够穿透氮的紫外线根据其波长可分为三类。这些被称为UV-A(400-315 nm),UV-B(315-280 nm)和UV-C(280-100 nm)。

二、臭氧-氧气循环

臭氧-氧气循环是指臭氧在地球同温层不断地再生,将紫外线转化为热量的过程。1930年,Sydney Chapman解决了其中的化学问题。这个过程通常被 大气科学家称为查普曼循环。

臭氧产生和破坏的过程,开始于分子氧的光解:

一个氧分子被较高频率的紫外线(UV-B,UV-C或更高的紫外线)分裂(光解)成两个氧原子

O2 +ℎν → 2O

然后氧原子与另一个氧分子反应形成臭氧

O + O2 + M → O3 + M

其中“ M”表示带走反应多余能量的第三体

臭氧分子然后可以吸收UV-C光子并解离

O3 →O +O2 +动能

当氧原子和氧分子飞散并与其他分子碰撞时,多余的动能会加热平流层。紫外线到动能的这种转化使平流层变暖。臭氧的光解过程中产生的氧原子然后与 其他氧分子发生反应,就像之前的步骤一样,形成更多的臭氧。

需注意,在空气中只有氮气和氧气时,臭氧才能与原子氧反应形成两个氧分子

O3 + O → 2O2

因此,可以简单地通过采用 O2 与 O3 的浓度比来找到该终止步骤对原子氧循环回臭氧的大致速率。

不过某些自由基的存在可催化终止反应,其中最重要的自由基是羟基(OH),一氧化氮(NO)和原子氯(Cl)和溴(Br)。这些高度稳定的化合物能够 在上升到平流层时存活下来,其中 Cl 和 Br 自由基在紫外线的作用下释放。然后每个自由基可以自由地引发和催化分解超过100,000个臭氧分子的连锁反 应。

三、臭氧层对健康的重要作用

臭氧层(吸收约200 nm至310 nm,最大吸收约250 nm)在筛选UV-B方面非常有效;对于波长为290 nm的辐射,大气层顶部的辐射强度是地球表面 强度的3.5亿倍。虽然UV-B辐射可能对皮肤有害,也是晒伤的主要原因;过度暴露还会引起白内障,免疫系统抑制和基因受损,从而导致皮肤癌等问题。 但是某些UV-B(尤其是其最长波长的UV-B)到达表面,对于皮肤产生维生素D至关重要。

UV-C对所有生物都非常有害,在大约35公里(115,000英尺)的高度上,双氧(<200>大约200 nm)的组合完全屏蔽了UV-C。

臭氧对大多数UV-A都是透明的,因此,这种较长波长的UV辐射大部分到达表面,它构成到达地球的大部分UV。这种类型的紫外线辐射对DNA的危害要 小得多,尽管它仍然可能潜在地导致物理损伤,皮肤过早老化,间接遗传损伤和皮肤癌。

在20世纪下半叶,人们发现平流层中的臭氧量正在减少,这主要是由于氯氟烃(CFC)以及类似的氯化和溴化有机分子的浓度增加。这种下降导致对健康 的影响的担忧,1987年达成国际协议《蒙特利尔议定书》,禁止生产许多消耗臭氧层的化学品,并在21世纪的头十年和第二个十年开始恢复平流层臭氧浓度。

参考内容:

‘Measured Ozone Depletion’. Ozone-Information.com. Archived from the original on 2013-09-14 Hultman, G. Eric (1980-01-01). The Ozone Survival Manual. McGraw-Hill. ISBN 9780915498734

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