臭氧消耗问题影响探究

　　摘 要：从20世纪80年代，人们发现臭氧消耗带来负面影响，为此人们开始采取措施对臭氧进行保护。对过去三十年数据的分析，我们得到结论是：除去不可抵抗因素外（火山喷发、太阳周期有关现象等），全球臭氧含量年平均值将趋于稳定；部分地区、不同季节仍有差异。
　　关键词：臭氧消耗；环境温度；风速；ODGI
　　一、臭氧消耗问题现状
　　1985年英国南极考察队观测发现臭氧层空洞，引起世界各国极大关注。为此，1985年，20个国家签署了保护臭氧层的维也纳公约。且于1987年在世界范围内签订了限量生产和使用氯氟烷烃等物质的《蒙特利尔协定》。20世纪50年代到70年代就发现臭氧浓度有减少的趋势。其明显现象为：
　　（1）地球平流层中臭氧总量（臭氧层）稳步下降
　　（2）春季平流层臭氧减少尤其剧烈，这一现象也称为臭氧层空洞——常出现在地球的两极地区。
　　（3）除了这些众所周知的平流层现象，也有春季极地对流层臭氧损耗事件。
　　关于臭氧层空洞的形成，在世界上占主导地位的是人类活动化学假说：人类大量使用的氯氟烷烃化学物质（如制冷剂、发泡剂、清洗剂等），产生氯氟烃与卤代烃、氧化亚氮等气体，在大气对流层中不易分解，当其进入平流层后受到强烈紫外线照射，同臭氧发生化学反应，使臭氧浓度减少，从而造成臭氧层的严重破坏。而臭氧层的臭氧浓度减少，使得太阳对地球表面的紫外辐射量增加，对生态环境产生破坏作用，影响人类和其他生物有机体的正常生存。
　　二、科学分析臭氧消耗原因
　　我们需要建立一个数学模型，用来预测未来50年内臭氧水平。我们通过网络上的文献和资料，了解到了影響臭氧总量的主要原因：1）人为影响，人类活动产生的含氯化合物进入大气层；2）区域性天气动力学过程3）与太阳活动周期有关的自然现象过程4）火山活动。我们忽略掉3、4两条原因，主要考虑人类活动因素和自然因素的原因。对于人类活动因素，我们考虑到了人口密度和消耗臭氧的化学物质。
　　我们选取了五个不同的观测站（SPO.BIS.PTH.OHP.FBK）进行数据的统计，观测站的选取主要根据：所述地区的人口密度、经济发展程度、所在地纬度。对于消耗臭氧的化学物质，我们通过ODGI这一数据在近二十年的分析，以及发达国家和发展中国家对于ODGI内各项数值的影响和总体影响。初步得到结论，根据得到结论进行模型假设。验证模型过程中，我们首先选择了南极作为我们的研究对象，之所以选用南极作为研究对象，是由于我们在分析数据时发现，近三十年内，南极臭氧总量的变化浮动最为强烈，年内变化也有明显的周期太浮动，为了能够通过一个站点来验证多个站点，已达到用个体来验证总体的过程，故选用南极作为研究对象来预测全球的臭氧含量变化。了解大气物理学一书，进行大气运动的尺度分析，运用大气垂直运动方程，了解到能够影响臭氧在南极变化的原因：1）ODGI消耗臭氧；2）南极风速的影响；3）南极温度的影响。这也是我们建立模型的自变量。我们在网上搜索到有关文献和详细数据，分类汇总，把所有数据按照年、月、日统计并分类比较做差，再用matlab结合所建立的数学模型进行多项式拟合得到较为准确的结果。说明我们建立的模型符合南极近臭氧含量近十年的变化。然后我们把其他四个监测站用这个模型进行检测，得到我们的结论。
　　三，实验数据分析
　　通过去三十年数据的分析，发现近十年来，臭氧总量水平几乎稳定，不像20世纪80时年代数据下降明显。产生这种情况的原因是：近年来人类控制消耗臭氧的物质排放，主动保护臭氧。所以在分析对未来50年的预测过程中，我们不需要再用庞大的数据库来逐年进行分析，只需要把近十年的数据处理好。如果再把三十年的数据与近十年的数据整合到一起，反而会破坏模型。相当于改变了模型变量的条件。
　　我们节选12年的数据，以月为自变量，以臭氧含量为因变量，通过MATLAB多项式线性拟合，得到各个站点年间臭氧总量水平变化。
　　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
　　得到各站点的拟合图和拟合方程可以得出以下结论：
　　（1）在北半球，大部分地区臭氧层的厚度在春季变大，秋季变小，高纬度地区变化凡更明显。
　　（2）全球范围内，气柱臭氧总量变化范围约为200～450DU，平均约为300DU.，有年震荡现象。
　　（3）在南半球春季臭氧含量明显减少，甚至达到100DU，在学术上成为臭氧洞。
　　综上，我们选取南极作为研究对象，进行分析。
　　（4）南极近12年臭氧总量变化
　　南极2005-2016各月臭氧总量图
　　通过上图发现，每年2-8月臭氧总量平稳，但是在9-11月——春季臭氧出现骤降，这就是所谓的臭氧空洞现象导致。
　　这与南极以外地区全年各季节臭氧总量变化趋势都有所不同。
　　主要造成这部分现象的原因有；
　　（1）南极平流层3月份开始出现极地涡旋一直维持到9月份，这种极地涡旋一方面阻止了臭氧的经向交换，使得低纬度上空的臭氧难以进入涡旋予以补充。另一方面使得涡旋内产生的臭氧得以保存，成为一个准封闭系统。所以3月到7、8月间臭氧含量相对稳定，这是出现臭氧洞的必要条件。
　　（2）大气动力学原因：大气动力不会减少臭氧，但它能将臭氧重新分布。大气化学原因：氟氯化物对臭氧的破坏作用，这些物质主要是北半球中纬度地区排放的，在大气环流作用下能长距离运输并扩散到达平流层。可破坏臭氧的氟氯化物由于大气压力作用被送入平流层，且在穿越对流层时由于低温相当部分没有在低空反应。平流层上太阳辐射使氟氯化物分解出氯原则子破环臭氧。
　　结论：全球臭氧年总量将趋于稳定，并且有年周期的震荡现象。南极春季的臭氧总量变化，与当地的温度成线性关系，当地温度越低臭氧的减少速度会越快。温度对臭氧的产生没有直接的原因，但是可以间接的反映出臭氧总量变化的趋势。
　　（作者单位：武汉理工大学）

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