人類活動(dòng)對(duì)臭氧的影響

【人類活動(dòng)對(duì)臭氧的影響】（ozone content influenced by mankind activity）人類在生活和生產(chǎn)活動(dòng)中向大氣中排放各種比學(xué)物質(zhì)，引起大氣中臭氧含量的變化。在太陽紫外線作用下，平流層中形成臭氧層。各種氧化氮（NOx）、氧化氛（ClOx）和氨氣（Cl）在大氣化學(xué)反應(yīng)中對(duì)臭氧起破壞作用。HOx也可促進(jìn)臭氧的分解，但它的影響主要在40km以上，它主要來自水。NOx與HOx反應(yīng)可形成HNO3，從而減弱了它們的作用。氮素主要來源于地面釋放到大氣中的N2O，使平流層中NOx含量增加，這是農(nóng)業(yè)效應(yīng)引起的，但在最近的將來，尚看不出它會(huì)引起臭氧層的顯著變化。氧化氯的來源是由于工業(yè)和民用中日益增多的氟利昂和甲烷，伴在大氣中釋放。特別是氟利昂11（CFCl3）扣氟利昂12（CFCl2）。預(yù)計(jì)在平流層中ClOx的濃度將會(huì)增加，而它的清除速度是很慢的，平復(fù)時(shí)間要幾十年。不考慮經(jīng)緯度的變化，理論計(jì)算指出，以1972年的排放標(biāo)準(zhǔn)，長時(shí)間連續(xù)釋放CFC13和CFCl2，臭氧量平均減少10％。臭氧吸收2800－3200A太陽紫外線（R帶），對(duì)人類和生物有保護(hù)作用。臭氧減少l％，紫外線（B帶）約增加1．5—2．0％，臭氧減少10％，紫外線（ B帶）就要增加20％。紫外線（B帶）可引起皮膚癌，它們?cè)跀?shù)量上有伴隨增減的關(guān)系。臭氧減少還將影響平流層的熱平衡，使平流層溫度降低。平流層頂部減溫10℃，地面溫度變化可達(dá)幾分之一度。臭氧變化對(duì)地球環(huán)境的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題，尚待進(jìn)一步研究。

自然界中的臭氧有90%集中在距地面15km～50km的大氣平流層中，也就是人們常說的臭氧層。但即使在那里，10萬個(gè)氣體分子中也只有1個(gè)臭氧分子，總的累積厚度平均也僅0.3厘米左右。然而就是這一層薄薄的臭氧層，能吸收來自太陽光中90%波長為220～330nm的紫外線輻射，使地球上的生物免遭其傷害。如果沒有臭氧層的保護(hù)，所有紫外線會(huì)落到地面上，那么日光曬焦的速度將比夏天的烈日下快50倍，幾分鐘內(nèi)，地球上的樹木全被燒焦，所有生物都將被殺死，生機(jī)勃勃的世界就會(huì)變成荒漠及焦土。

1985年，英國南極考察隊(duì)約瑟夫·法曼在南極的哈雷茲上空用儀器觀察大氣中臭氧層的變化，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了一個(gè)面積接近美國大陸的“臭氧空洞”。這個(gè)空洞在不斷移動(dòng)不斷擴(kuò)大，到1999年，臭氧空洞的面積接近三個(gè)中國大陸，深似珠穆朗瑪峰。

氟氯烴（商品名為氟利昂）、氮氧化物等消耗臭氧的物質(zhì)是臭氧層破壞的元兇。氟氯烴是一類含有氟和氯的有機(jī)物。它在日光照射下分解產(chǎn)生的氯原子是破壞臭氧層的“罪魁禍?zhǔn)住?。臭氧層被破壞，?duì)人類和生物的影響是多方面的。首先，會(huì)降低人體的免疫功能，誘發(fā)皮膚癌、白內(nèi)障等疾病。其次，過量的紫外線輻射會(huì)削弱光合作用，嚴(yán)重阻礙農(nóng)作物和樹木正常生長，使農(nóng)作物減產(chǎn)，并會(huì)殺死海洋浮游生物。

保護(hù)臭氧層是一個(gè)迫在眉睫的全球性問題，已引起世界各國的關(guān)注。1985年和1987年在聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的推動(dòng)下，分別制定和達(dá)成了《維也納保護(hù)臭氧層公約》和《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，世界各國紛紛采取各種措施，減少并逐步停止氟氯烴等的生產(chǎn)和使用。1994年確定每年的9月16日為國際保護(hù)臭氧層日。1999年12月2日國際保護(hù)臭氧層大會(huì)在北京召開。

人類活動(dòng)通過平流層臭氧耗損來影響氣候，這對(duì)地表有微弱的降溫作用；還可以通過改變土地利用方式導(dǎo)致地表反照率的變化來影響氣候（主要是增溫效應(yīng)）。然而與溫室氣體的效應(yīng)比起來，這些影響相對(duì)較小。

臭氧損耗導(dǎo)致更多的紫外輻射到達(dá)低層大氣，并降低了與臭氧有關(guān)的溫室效應(yīng)。由于后者占優(yōu)勢，導(dǎo)致了近幾十年地表的輕度降溫。在蒙特利爾協(xié)定中制定的減少平流層臭氧損耗的相關(guān)措施影響下，專家認(rèn)為這種損耗將趨于穩(wěn)定并將有所逆轉(zhuǎn)。

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對(duì)臭氧層損耗的研究最早是20世紀(jì)70年代開始的。早期關(guān)注的是一些自然事件對(duì)臭氧總量的影響，如太陽活動(dòng)爆發(fā)造成粒子流大量轟擊大氣層，此外，因天氣過程導(dǎo)致中、低緯度“微型臭氧洞”現(xiàn)象頻率的變化也是臭氧層損耗現(xiàn)象?；鹕奖l(fā)向平流層輸送大量的硫化物或硫酸鹽粒子，改變了平流層的溫度、動(dòng)力學(xué)和光化學(xué)過程，以及氣溶膠粒子表面的多相化學(xué)反應(yīng)也可導(dǎo)致自然的臭氧層損耗。如1991年的皮納圖博（Pinatubo）火山爆發(fā)后，1992—1993年全球平流層臭氧出現(xiàn)損耗。

雖然1974年在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)氟利昂（CFCs）可以導(dǎo)致平流層臭氧減少的現(xiàn)象引起了關(guān)注，但是就人類活動(dòng)是否對(duì)臭氧層損耗產(chǎn)生影響卻一直爭論不休。直到1985年以后，隨著南極“臭氧洞”的發(fā)現(xiàn)及其機(jī)理研究的深入，這一爭論才塵埃落定。科學(xué)家的研究成果也很快得到承認(rèn)和肯定。1995年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了早期對(duì)臭氧損耗化學(xué)機(jī)理開創(chuàng)性[BF]工作的三位科學(xué)家，克魯岑（Crutzen），莫利納（Molina）和羅蘭（Rowland）?，F(xiàn)在沒有人懷疑來自人類排放的CFCs、哈龍（Halons）是造成極地地區(qū)臭氧層損耗的重要原因之一了。

我國處在中、低緯度地區(qū)。雖然臭氧層損耗遠(yuǎn)沒有南極“臭氧洞”那樣明顯，但是地面與衛(wèi)星觀測顯示了我國上空從1979年以來的臭氧總量確實(shí)呈明顯的下降趨勢，衛(wèi)星資料觀測以及地基資料驗(yàn)證也表明，在我國青藏高原地區(qū)夏秋季節(jié)也出現(xiàn)了顯著的臭氧低值現(xiàn)象。

臭氧層損耗監(jiān)測主要是對(duì)臭氧總量的監(jiān)測。監(jiān)測的方法，按觀測平臺(tái)來分可分為地基、空基和天基，按觀測的內(nèi)容來說，可進(jìn)行臭氧總量或臭氧在大氣中垂直分布的監(jiān)測。

地基觀測主要是利用臭氧在紫外或紅外波段的吸收，用差分吸收方法來確定臭氧總量。典型儀器主要包括Dobson臭氧分光光譜儀，Brewer分光光譜儀和前蘇聯(lián)廣泛使用的M83截止濾光片式光度計(jì)。此外，20世紀(jì)80年代后，法國科學(xué)家發(fā)明了利用曙暮光中的紅外光進(jìn)行臭氧總量觀測的儀器（SAOZ），主要布置在高緯度低太陽高度角地區(qū)進(jìn)行觀測；而20世紀(jì)90年代末發(fā)明的便攜式光度計(jì)（MicrotopsII）在一定程度上可滿足低緯度地區(qū)低準(zhǔn)確度臭氧總量的觀測。但較準(zhǔn)確的地基臭氧總量觀測儀器主要是Dobson和Brewer分光光度計(jì)。針對(duì)這兩種儀器，世界氣象組織有著較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)傳遞體系，其中Dobson儀器一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)在美國夏威夷MaunLoa站（第83號(hào)Dobson儀器）。中國科學(xué)院大氣物理研究所監(jiān)測臭氧總量的Donson儀器是參照設(shè)在日本氣象廳Dobson#113標(biāo)準(zhǔn)。Brewer儀器的標(biāo)準(zhǔn)主要是設(shè)在加拿大氣象局的三臺(tái)Brewer儀器組成的臭氧總量標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)90年代，歐盟在西班牙組建了三臺(tái)利用BrewerMKIII型雙光柵光譜儀組成的標(biāo)定系統(tǒng)。

臭氧垂直分布觀測主要是利用臭氧探空、飛機(jī)以及激光雷達(dá)。目前運(yùn)用較廣泛的是氣球攜帶臭氧探空儀進(jìn)行臭氧濃度垂直探測，探測高度一般從地面到30km以上。飛機(jī)觀測主要利用飛機(jī)起降過程中儀器探測臭氧濃度的垂直分布，或者利用機(jī)載激光探測對(duì)流層或平流層臭氧垂直分布。

由于臭氧主要分布在平流層，極軌衛(wèi)星遙測臭氧總量已成為對(duì)全球大氣臭氧損耗監(jiān)測的重要的手段。衛(wèi)星遙測臭氧總量的理論研究是20世紀(jì)60年代提出的，但是直到1978年11月美國航天航空局才在云雨7號(hào)衛(wèi)星上攜帶TOMS光譜儀（TotalOzoneMappingSpectrometer）開始了全球臭氧總量監(jiān)測。此后，在平流層氣溶膠和氣體實(shí)驗(yàn)（StratosphereAerosolandGasExperiment，SAGE）衛(wèi)星上，又巧妙地利用掩星或臨邊掃描技術(shù)遙測臭氧的垂直廓線分布。隨著儀器光譜探測精度的提高和反演算法的發(fā)展，衛(wèi)星在監(jiān)測大氣臭氧總量和垂直廓線分布中起著越來越重要的作用。此外還有1995年歐洲空間局發(fā)射的環(huán)境遙感衛(wèi)星中的全球臭氧監(jiān)測實(shí)驗(yàn)（GlobalOzoneMonitoringExperiment，GOME）平臺(tái)，以及目前還在軌的極光（Aura）衛(wèi)星中的臭氧監(jiān)測儀器(OzoneMonitoringInstrument，OMI)平臺(tái)。但衛(wèi)星遙測的臭氧總量或臭氧垂直廓線分布數(shù)據(jù)還不斷地需要地基觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

我國科學(xué)家在20世紀(jì)90年代成功研制了臭氧總量監(jiān)測儀器，臭氧探空儀和臭氧激光雷達(dá)。從國際地球物理年(1957—1958年)開始，中國科學(xué)院先后在北京、武漢(后移至昆明)開始用Dobson臭氧儀監(jiān)測大氣臭氧。1979年在河北香河、1980年在云南昆明相繼開展了臭氧總量業(yè)務(wù)監(jiān)測。20世紀(jì)90年代開始，中國氣象科學(xué)研究院利用世界氣象組織推薦的全自動(dòng)Brewer臭氧分光光譜儀，先后在青海瓦里關(guān)全球大氣本底站、黑龍江龍鳳山區(qū)域大氣本底站、浙江臨安區(qū)域大氣本底站和南極中山站進(jìn)行臭氧總量長期觀測。這些站點(diǎn)與中國科學(xué)院設(shè)在河北香河和云南昆明的兩個(gè)Dobson觀測臭氧總量儀器組成了中國大陸地區(qū)臭氧總量觀測站網(wǎng)。2007年中國氣象局已開始在西藏布設(shè)臭氧總量儀器開展業(yè)務(wù)觀測。中國香港和臺(tái)灣也布設(shè)了類似的監(jiān)測站點(diǎn)。

臭氧層損耗與人類活動(dòng)密切相關(guān)。人工合成的一些含氯和含溴鹵素化合物進(jìn)入了平流層，最典型的是CFCs和Halons。強(qiáng)烈的紫外線照射使進(jìn)入平流層的CFCs和Halons分子發(fā)生離解，釋放出高活性的原子態(tài)Cl和Br，Cl和Br也是自由基，二者是破壞臭氧層的主要物質(zhì)，它們對(duì)臭氧的破壞以催化的方式進(jìn)行

科學(xué)家指出，人工合成的一些含Cl和Br的物質(zhì)是造成南極臭氧洞的元兇，最典型的是CFCs和Halons。

越來越多的科學(xué)證據(jù)證實(shí)Cl和Br在平流層通過催化化學(xué)過程破壞臭氧是造成南極臭氧洞的根本原因。人為釋放的氟利昂和哈龍等化合物在對(duì)流層十分穩(wěn)定（化學(xué)惰性），經(jīng)過一兩年時(shí)間，這些化合物會(huì)在全球范圍內(nèi)的對(duì)流層均勻分布，然后主要在熱帶地區(qū)上空被大氣環(huán)流帶入到平流層，風(fēng)又將它們從低緯度地區(qū)向高緯度地區(qū)輸送，在平流層內(nèi)混合均勻。在平流層內(nèi)，強(qiáng)烈的紫外線照射使氟利昂和哈龍分子發(fā)生離解，釋放出破壞臭氧層的原子態(tài)的氯和溴的自由基。由于氣候異常寒冷，以及南極平流層云的存在，全球環(huán)境中此處的臭氧層破壞問題最為嚴(yán)重。冬季南極地區(qū)極低氣溫形成的大氣“極地渦旋”及“極地平流層云”會(huì)造成Cl2、次氯酸（HOCl）等“化學(xué)催化物”的積聚，加上春季到來的太陽紫外線條件，臭氧損耗的化學(xué)催化過程就開始了。當(dāng)更多太陽光到達(dá)南極，南極地區(qū)的溫度上升，氣象條件發(fā)生變化，南極渦旋逐漸消失后，南極地區(qū)臭氧濃度極低的空氣傳輸?shù)降厍虻钠渌呔暥群椭芯暥鹊貐^(qū)，就造成全球范圍的臭氧濃度下降。

臭氧總濃度的減少是在全球范圍內(nèi)發(fā)生的。北極也發(fā)生與南極同樣的空氣動(dòng)力學(xué)和化學(xué)過程，北極上空的臭氧也在不斷地減少。但由于北極不存在類似南極的冰川，加上氣象條件的差異，北極渦旋的溫度遠(yuǎn)較南極高，而且北極平流層云的量也比南極少得多，此外，下墊面能否形成從下向上傳播的重力波是極地渦旋能否維持的重要原因。南極大陸四周是海洋，極地渦旋形成后受到干擾較小，從形成到消退所需時(shí)間尺度是以季節(jié)為單位的；而北極地區(qū)，由于下墊面非均勻性，從對(duì)流層向平流層傳播的行星波干擾到北極地區(qū)極地渦旋維持時(shí)間，使得極地渦旋形成后很容易破裂，因此，大規(guī)模臭氧損耗主要在南極地區(qū)上空的春季，而不是在北極上空。南極臭氧洞的形成是包含大氣化學(xué)、氣象學(xué)變化的非均相的復(fù)雜過程，其根源是地球表面人為活動(dòng)產(chǎn)生的CFCs和Halons。令科學(xué)家和社會(huì)各界憂慮的是，CFCs和Halons具有很長的大氣壽命，一旦進(jìn)入大氣就很難去除，意味著它們對(duì)臭氧層的破壞會(huì)持續(xù)一個(gè)漫長的過程。因此，臭氧層受到來自人類活動(dòng)的巨大威脅。

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對(duì)流層臭氧濃度增加嚴(yán)重影響著人類健康、生態(tài)環(huán)境，也威脅著區(qū)域氣候。自1839年德國科學(xué)家舒貝因（Schonbein）發(fā)現(xiàn)臭氧以來，大氣臭氧的研究經(jīng)歷了160多年的歷史。隨著洛杉磯光化學(xué)煙霧事件的發(fā)生以及南極“臭氧洞”問題的提出，臭氧研究引發(fā)了科學(xué)家們更多的關(guān)注。特別是近些年來，歐美等諸多發(fā)達(dá)國家在經(jīng)歷了工業(yè)化迅速發(fā)展導(dǎo)致的嚴(yán)重氣溶膠污染時(shí)代以后（20世紀(jì)50—60年代），經(jīng)過近三十年治理，氣溶膠污染得到了明顯的控制，而O3污染成為影響空氣質(zhì)量的首要問題，因此開展地面O3的預(yù)報(bào)預(yù)測工作是目前大氣環(huán)境研究領(lǐng)域的前沿性問題之一。

目前已有的地面O3濃度預(yù)報(bào)方法主要包括：統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)（基于天氣模型和氣象要素的延續(xù)性預(yù)報(bào)和氣候?qū)W預(yù)報(bào)、統(tǒng)計(jì)回歸預(yù)報(bào)）、主觀經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量數(shù)值模式預(yù)報(bào)等。近些年，隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的高速發(fā)展及氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高，給出定量的O3時(shí)空分布的數(shù)值預(yù)報(bào)模式是O3濃度預(yù)報(bào)的主要發(fā)展方向。

臭氧是大氣中的一種二次污染物，是在一定的光照條件下，復(fù)雜的前體物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)形成。因此，其生成過程強(qiáng)烈依賴于前體物濃度和天氣條件。目前臭氧數(shù)值預(yù)報(bào)模式以化學(xué)傳輸模式為主，詳細(xì)地考慮了各種污染物之間的相互轉(zhuǎn)化和傳輸，以排放源資料、氣象資料作為輸入信息模擬臭氧生消和傳輸過程。由此可見，氣象預(yù)報(bào)模式輸出結(jié)果的好壞直接影響了臭氧預(yù)報(bào)的水平。隨著監(jiān)測手段的改進(jìn)和監(jiān)測技術(shù)的提高，將人工觀測、儀器自動(dòng)觀測，以及遙感監(jiān)測的各類實(shí)時(shí)資料應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的資料同化技術(shù)，為進(jìn)一步減小預(yù)報(bào)氣象場的誤差提供了有利條件，同時(shí)也為空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)效果的改善提供了可能。此外，努力減少污染源排放資料的不確定性也同樣是提高臭氧濃度預(yù)報(bào)能力的重要途徑。其中人為排放源比較容易估計(jì)，精度也較高，而生態(tài)源系統(tǒng)排放則困難得多。新一代的臭氧數(shù)值預(yù)報(bào)模式引入了生物排放處理系統(tǒng)（如MODELS3/CMAQ），可為模式提供逐時(shí)、物種相對(duì)明確的排放源信息，從而很大程度上彌補(bǔ)了污染源不確定性的不足。臭氧的生消過程涉及了大量復(fù)雜的化學(xué)機(jī)制，其中包含了大量的不確定的參數(shù)，同樣制約著數(shù)值預(yù)報(bào)模式的發(fā)展。隨著科學(xué)家們認(rèn)識(shí)的不斷深化，以及計(jì)算能力的提高，計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以模擬復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程和中間產(chǎn)物，而這在實(shí)驗(yàn)室中很難做到。氣象模式和大氣化學(xué)模式更好的耦合是當(dāng)前開展臭氧及其他污染物數(shù)值預(yù)報(bào)迫切需要的一項(xiàng)工作，為減少因模式相容性而造成的誤差，目前已經(jīng)開展了一些初步的工作。隨著這方面工作的逐步深入，最終將發(fā)展成為一個(gè)氣象和化學(xué)過程并行計(jì)算的完全耦合的模式系統(tǒng)。

南極“臭氧洞”：南極地區(qū)大氣臭氧總量在春季大面積持續(xù)低于220DU的現(xiàn)象。

南極“臭氧洞”的發(fā)現(xiàn)首先應(yīng)歸功于1957—1958年國際地球物理年以來各國科學(xué)家在南極長年默默無聞的觀測工作的積累。日本氣象廳工作人員Chubachi注意到1982年發(fā)生在日本南極昭和站顯著的臭氧總量下降趨勢，1985年英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家費(fèi)爾曼等注意到英國南極Halley灣站在春季出現(xiàn)顯著的臭氧總量下降的趨勢，并于1985年正式提出南極“臭氧洞”概念，隨后通過衛(wèi)星資料再分析，確認(rèn)了“臭氧洞”是南極大陸地區(qū)大范圍的現(xiàn)象。

南極“臭氧洞”的形成與南極地區(qū)極端的天氣、氣候背景有著密切的聯(lián)系。南極“臭氧洞”形成是南極特有的大氣動(dòng)力學(xué)過程背景下的非均相化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致臭氧的極大損耗。南極地區(qū)的平流層干燥寒冷，空氣稀薄。極地地區(qū)冬天的平流層溫度極低，可以達(dá)到零下80℃，極低的溫度形成了三水合硝酸和冰晶為主要成分的云滴稱為極地平流層云

防止臭氧層損耗，保護(hù)臭氧層的工作是從1985年南極“臭氧洞”發(fā)現(xiàn)以后各國政府采取有效行動(dòng)開始的。1987年簽訂了旨在限制CFCs、Halons等損害平流層臭氧物質(zhì)排放的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，至此，各國開始了有效的臭氧層保護(hù)行動(dòng)，旨在避免人類因臭氧層損耗可能引起的氣候、環(huán)境災(zāi)難。我國已在1987年加入了《保護(hù)臭氧層維也納公約》，并于1991年加入《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾協(xié)議議定書》的倫敦修正案。國家環(huán)?？偩诌€從1991年專門成立了國家保護(hù)臭氧層領(lǐng)導(dǎo)小組，致力于中國企業(yè)減少并完全停止生產(chǎn)破壞臭氧層的物質(zhì)。經(jīng)過20年努力，我國在保護(hù)臭氧層工作方面取得了顯著的進(jìn)展。各類消耗臭氧層的物質(zhì)明顯地削減。截至2007年，我國已成功地淘汰了10萬tCFCs和8萬tHalons的生產(chǎn)和消費(fèi)，分別占第5條款國家總量的40%和90%。同時(shí)在甲基氯化物的減排方面也取得了顯著成效，如我國即將在2010年完全停止甲基氯仿的生產(chǎn)，比簽署的協(xié)議書規(guī)定的時(shí)間提前了5年。截至目前，全球最偏遠(yuǎn)地區(qū)，如南極點(diǎn)，北極地區(qū)等，人為制造而導(dǎo)致臭氧層損耗的一些代表性物質(zhì)已出現(xiàn)明顯下降趨勢，說明全球范圍內(nèi)保護(hù)臭氧層行動(dòng)已取得初步成效。同時(shí)，在臭氧總量的監(jiān)測方面，也出現(xiàn)了全球尺度的臭氧增加信息。

臭氧層被大量損耗后，吸收紫外輻射的能力大大減弱，導(dǎo)致到達(dá)地球表面的紫外線B明顯增加，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來多方面的的危害，目前已受到人們普遍關(guān)注的主要有對(duì)人體健康、陸生植物、水生生態(tài)系統(tǒng)、生物化學(xué)循環(huán)、材料、以及對(duì)流層大氣組成和空氣質(zhì)量等方面的影響。

 

陽光紫外線UV-B的增加對(duì)人類健康有嚴(yán)重的危害作用。潛在的危險(xiǎn)包括引發(fā)和加劇眼部疾病、皮膚癌和傳染性疾病。對(duì)有些危險(xiǎn)如皮膚癌已有定量的評(píng)價(jià)，但其他影響如傳染病等目前仍存在很大的不確定性。

實(shí)驗(yàn)證明紫外線會(huì)損傷角膜和眼晶體，如引起白內(nèi)障、眼球晶體變形等。據(jù)分析，平流層臭氧減少1%，全球白內(nèi)障的發(fā)病率將增加0.6-0.8%，全世界由于白內(nèi)障而引起失明的人數(shù)將增加10,000到15,000人；如果不對(duì)紫外線的增加采取措施，從現(xiàn)在到2075年，UV-B輻射的增加將導(dǎo)致大約1800萬例白內(nèi)障病例的發(fā)生。

紫外線UV-B段的增加能明顯地誘發(fā)人類?；嫉娜N皮膚疾病。這三種皮膚疾病中，巴塞爾皮膚瘤和鱗狀皮膚瘤是非惡性的。利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人類流行病學(xué)的數(shù)據(jù)資料得到的最新的研究結(jié)果顯示，若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發(fā)病率將會(huì)增加26%。另外的一種惡性黑瘤是非常危險(xiǎn)的皮膚病，科學(xué)研究也揭示了UV-B段紫外線與惡性黑瘤發(fā)病率的內(nèi)在聯(lián)系，這種危害對(duì)淺膚色的人群特別是兒童期尤其嚴(yán)重；

人體免疫系統(tǒng)中的一部分存在于皮膚內(nèi)，使得免疫系統(tǒng)可直接接觸紫外線照射。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紫外線照射會(huì)減少人體對(duì)皮膚癌、傳染病及其他抗原體的免疫反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)重復(fù)的外界刺激喪失免疫反應(yīng)。人體研究結(jié)果也表明暴露于紫外線B中會(huì)抑制免疫反應(yīng)，人體中這些對(duì)傳染性疾病的免疫反應(yīng)的重要性目前還不十分清楚。但在世界上一些傳染病對(duì)人體健康影響較大的地區(qū)以及免疫功能不完善的人群中，增加的UV-B輻射對(duì)免疫反應(yīng)的抑制影響相當(dāng)大。

已有研究表明，長期暴露于強(qiáng)紫外線的輻射下，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的DNA改變，人體免疫系統(tǒng)的機(jī)能減退，人體抵抗疾病的能力下降。這將使許多發(fā)展中國家本來就不好的健康狀況更加惡化，大量疾病的發(fā)病率和嚴(yán)重程度都會(huì)增加，尤其是包括麻疹、水痘、皰疹等病毒性疾病，瘧疾等通過皮膚傳染的寄生蟲病，肺結(jié)核和麻瘋病等細(xì)菌感染以及真菌感染疾病等。

臭氧層損耗對(duì)植物的危害的機(jī)制目前尚不如其對(duì)人體健康的影響清楚，但研究表明，在已經(jīng)研究過的植物品種中，超過50%的植物有來自UV-B的負(fù)影響，比如豆類、瓜類等作物，另外某些作物如土豆、番茄、甜菜等的質(zhì)量將會(huì)下降；植物的生理和進(jìn)化過程都受到UV-B輻射的影響，甚至與當(dāng)前陽光中UV-B輻射的量有關(guān)。植物也具有一些緩解和修補(bǔ)這些影響的機(jī)制，在一定程度上可適應(yīng)UV-B輻射的變化。不管怎樣，植物的生長直接受UV-B輻射的影響，不同種類的植物，甚至同一種類不同栽培品種的植物對(duì)UV-B的反應(yīng)都是不一樣的。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，就需要種植耐受UV-B輻射的品種，并同時(shí)培養(yǎng)新品種。對(duì)森林和草地，可能會(huì)改變物種的組成，進(jìn)而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布。

UV-B帶來的間接影響，例如植物形態(tài)的改變，植物各部位生物質(zhì)的分配，各發(fā)育階段的時(shí)間及二級(jí)新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大，甚至更為嚴(yán)重。這些對(duì)植物的競爭平衡、食草動(dòng)物、植物致病菌和生物地球化學(xué)循環(huán)等都有潛在影響。這方面的研究工作尚處起步階段。

世界上30%以上的動(dòng)物蛋白質(zhì)來自海洋，滿足人類的各種需求。在許多國家，尤其是發(fā)展中國家，這一百分比往往還要高。因此很有必要知道紫外輻射增加后對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。

此外，海洋在與全球變暖有關(guān)的問題中也具有十分重要的作用。海洋浮游植物的吸收是大氣中二氧化碳的一個(gè)重要去除途徑，它們對(duì)未來大氣中二氧化碳濃度的變化趨勢起著決定性的作用。海洋對(duì)二氧化碳的吸收能力降低，將導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇。

海洋浮游植物并非均勻分布在世界各大洋中，通常高緯度地區(qū)的密度較大，熱帶和亞熱帶地區(qū)的密度要低10到100倍。除可獲取的營養(yǎng)物，溫度，鹽度和光外，在熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍存在的陽光UV-B的含量過高的現(xiàn)象也在浮游植物的分布中起著重要作用。

浮游植物的生長局限在光照區(qū)，即水體表層有足夠光照的區(qū)域，生物在光照區(qū)的分布地點(diǎn)受到風(fēng)力和波浪等作用的影響。另外，許多浮游植物也能夠自由運(yùn)動(dòng)以提高生產(chǎn)力以保證其生存。暴露于陽光UV-B下會(huì)影響浮游植物的定向分布和移動(dòng)，因而減少這些生物的存活率。

研究人員已經(jīng)測定了南極地區(qū)UV-B輻射及其穿透水體的量的增加，有足夠證據(jù)證實(shí)天然浮游植物群落與臭氧的變化直接相關(guān)。對(duì)臭氧洞范圍內(nèi)和臭氧洞以外地區(qū)的浮游植物生產(chǎn)力進(jìn)行比較的結(jié)果表明，浮游植物生產(chǎn)力下降與臭氧減少造成的UV-B輻射增加直接有關(guān)。一項(xiàng)研究表明在冰川邊緣地區(qū)的生產(chǎn)力下降了6-12%。由于浮游生物是海洋食物鏈的基礎(chǔ)，浮游生物種類和數(shù)量的減少還會(huì)影響魚類和貝類生物的產(chǎn)量。據(jù)另一項(xiàng)科學(xué)研究的結(jié)果，如果平流層臭氧減少25%，浮游生物的初級(jí)生產(chǎn)力將下降10%，這將導(dǎo)致水面附近的生物減少35%。

研究發(fā)現(xiàn)陽光中的UV-B輻射對(duì)魚、蝦、蟹、兩棲動(dòng)物和其它動(dòng)物的早期發(fā)育階段都有危害作用。最嚴(yán)重的影響是繁殖力下降和幼體發(fā)育不全。即使在現(xiàn)有的水平下，陽光紫外線B已是限制因子。紫外線B的照射量很少量的增加就會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者生物的顯著減少。

盡管已有確鑿的證據(jù)證明UV-B輻射的增加對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)是有害的，但目前還只能對(duì)其潛在危害進(jìn)行粗略的估計(jì)。

陽光紫外線的增加會(huì)影響陸地和水體的生物地球化學(xué)循環(huán)，從而改變地球--大氣這一巨系統(tǒng)中一些重要物質(zhì)在地球各圈層中的循環(huán)，如溫室氣體和對(duì)化學(xué)反應(yīng)具有重要作用的其他微量氣體的排放和去除過程，包括二氧化碳、一氧化碳、氧硫化碳等。這些潛在的變化將對(duì)生物圈和大氣圈之間的相互作用產(chǎn)生影響。

對(duì)陸生生態(tài)系統(tǒng)，增加的紫外線會(huì)改變植物的生成和分解，進(jìn)而改變大氣中重要?dú)怏w的吸收和釋放。當(dāng)紫外線B光降解地表的落葉層時(shí)，這些生物質(zhì)的降解過程被加速；而當(dāng)主要作用是對(duì)生物組織的化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致埋在下面的落葉層光降解過程減慢時(shí)，降解過程被阻滯。植物的初級(jí)生產(chǎn)力隨著UV-B輻射的增加而減少，但對(duì)不同物種和某些作物的不同栽培品種來說影響程度是不一樣的。

在水生生態(tài)系統(tǒng)中陽光紫外線也有顯著的作用。這些作用直接造成UV-B對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)、氮循環(huán)和硫循環(huán)的影響。UV-B對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的影響主要體現(xiàn)于UV-B對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的抑制。在幾個(gè)地區(qū)的研究結(jié)果表明，現(xiàn)有UV-B輻射的減少可使初級(jí)生產(chǎn)力增加，由南極臭氧洞的發(fā)生導(dǎo)致全球UV-B輻射增加后，水生生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力受到損害。除對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力的影響外，陽光紫外輻射還會(huì)抑制海洋表層浮游細(xì)菌的生長，從而對(duì)海洋生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生重要的潛在影響。陽光紫外線促進(jìn)水中的溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）的降解，使得所吸收的紫外輻射被消耗，同時(shí)形成溶解無機(jī)碳（DIC）、一氧化碳以及可進(jìn)一步礦化或被水中微生物利用的簡單有機(jī)質(zhì)等。UV-B增加對(duì)水中的氮循環(huán)也有影響，它們不僅抑制硝化細(xì)菌的作用，而且可直接光降解象硝酸鹽這樣的簡單無機(jī)物種。UV-B對(duì)海洋中硫循環(huán)的影響可能會(huì)改變COS和二甲基硫（DMS）的海-氣釋放，這兩種氣體可分別在平流層和對(duì)流層中被降解為硫酸鹽氣溶膠。

因平流層臭氧損耗導(dǎo)致陽光紫外輻射的增加會(huì)加速建筑、噴涂、包裝及電線電纜等所用材料，尤其是高分子材料的降解和老化變質(zhì)。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區(qū)，這種破壞作用更為嚴(yán)重。由于這一破壞作用造成的損失估計(jì)全球每年達(dá)到數(shù)十億美元。

無論是人工聚合物，還是天然聚合物以及其它材料都會(huì)受到不良影響。當(dāng)這些材料尤其是塑料用于一些不得不承受日光照射的場所時(shí)，只能靠加入光穩(wěn)定劑或進(jìn)行表面處理以保護(hù)其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會(huì)加速這些材料的光降解，從而限制了它們的使用壽命。研究結(jié)果已證實(shí)短波UV-B輻射對(duì)材料的變色和機(jī)械完整性的損失有直接的影響。

在聚合物的組成中增加現(xiàn)有光穩(wěn)定劑的用量可能緩解上述影響，但需要滿足下面三個(gè)條件：①在陽光的照射光譜發(fā)生了變化即UV-B輻射增加后，該光穩(wěn)定劑仍然有效；②該光穩(wěn)定劑自身不會(huì)隨著UV-B輻射的增加被分解掉；③經(jīng)濟(jì)可行。目前，利用光穩(wěn)定性更好的塑料或其他材料替代現(xiàn)有材料是一個(gè)正在研究中的問題。然而，這些方法無疑將增加產(chǎn)品的成本。而對(duì)于許多正處在用塑料替代傳統(tǒng)材料階段的發(fā)展中國家來說，解決這一問題更為重要和迫切。

平流層臭氧的變化對(duì)對(duì)流層的影響是一個(gè)十分復(fù)雜的科學(xué)問題。一般認(rèn)為平流層臭氧的減少的一個(gè)直接結(jié)果是使到達(dá)低層大氣的UV-B輻射增加。由于UV-B的高能量，這一變化將導(dǎo)致對(duì)流層的大氣化學(xué)更加活躍。

首先，在污染地區(qū)如工業(yè)和人口稠密的城市，即氮氧化物濃度較高的地區(qū)，UV-B的增加會(huì)促進(jìn)對(duì)流層臭氧和其它相關(guān)的氧化劑如過氧化氫（H2O2）等的生成，使得一些的城市地區(qū)臭氧超標(biāo)率大大增加。而與這些氧化劑的直接接觸會(huì)對(duì)人體健康、陸生植物和室外材料等產(chǎn)生各種不良影響。在那些較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，即NOx的濃度較低的地區(qū)，臭氧的增加較少甚至還可能出現(xiàn)臭氧減少的情況。但不論是污染較嚴(yán)重的地區(qū)還是清潔地區(qū)，H2O2和OH自由基等氧化劑的濃度都會(huì)增加。其中H2O2濃度的變化可能會(huì)對(duì)酸沉降的地理分布帶來影響，結(jié)果是污染向郊區(qū)蔓延，清潔地區(qū)的面積越來越少。

其次，對(duì)流層中一些控制著大氣化學(xué)反應(yīng)活性的重要微量氣體的光解速率將提高，其直接的結(jié)果是導(dǎo)致大氣中重要自由基濃度如OH基的增加。OH自由基濃度的增加意味著整個(gè)大氣氧化能力的增強(qiáng)。由于OH自由基濃度的增加會(huì)使甲烷和CFC替代物如HCFCs和HFCs的濃度成比例的下降，從而對(duì)這些溫室氣體的氣候效應(yīng)產(chǎn)生影響。

而且，對(duì)流層反應(yīng)活性的增加還會(huì)導(dǎo)致顆粒物生成的變化，例如云的凝結(jié)核，由來自人為源和天然源的硫（如氧硫化碳和二甲基硫）的氧化和凝聚形成。盡管目前對(duì)這些過程了解的還不十分清楚，但平流層臭氧的減少與對(duì)流層大氣化學(xué)及氣候變化之間復(fù)雜的相互關(guān)系正逐步被揭示。