1995年諾貝爾化學獎簡介

台大化學系名譽教授 蔡蘊明 譯於2017年四月十九日
(歡迎轉載,但請引述本網址)

本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿,原文可自官方網站取得。

●臭氧層生物層的致命弱點

圍繞著地球的大氣層包含少量的臭氧 – 一種由三個氧原子組成的氣體分子(O3),如果將大氣中所有的臭氧集合起來並具有與地表相同的壓力,那僅將成為一個具有三毫米厚度的純臭氧層包覆地球,但即便臭氧的存在是如此的稀薄,它卻對地球上的生命扮演了非常重要的角色,這是因為臭氧與尋常的氧分子(O2)合力,具有吸收太陽光中大部分的紫外線之能力,避免了這些危險的光線照射到地球的表面。缺乏了大氣中的臭氧層保護,至少在陸地上動物與植物將不會存在,因此瞭解大氣中臭氧濃度的調節機制是極端重要的。

1995年的諾貝爾化學獎頒給了 Paul Crutzen,Mario Molina 以及 Sherwood Rowland 等三位科學家,表彰他們在解釋臭氧於大氣中生成和分解的化學機制所做的前瞻性研究。最為重要的是他們的研究顯示了臭氧層對人為釋放的某些化合物是何等的敏感,這稀薄的臭氧層被證實為我們的致命弱點 (Achilles heel),因為即便是大氣中組成分很溫和的變動亦能嚴重的傷害它。透過化學反應機制解釋臭氧層的厚度如何受到影響,這三位研究工作者救贖了我們,免於全球環境問題所將導致的毀滅性結果。

●這項知識是如何進展的

臭氧的生成是在大氣中透過尋常的氧分子(O2)被太陽的紫外線照射而分裂所致,此分裂釋放出的氧原子根據下列所示與氧分子反應得到臭氧:

 

英國物理學家 Sidney Chapman 於1930年,提出了第一個光化學理論來解釋在大氣中臭氧的生成和分解,此理論描述了太陽光如何的將不同的氧物種相互轉換,並解釋了最高濃度的臭氧會出現於離地15至50公里的層次,稱為臭氧層(圖一)。可是其後的量測顯示與Chapman的預測有很大的歧異,計算出的臭氧含量比實驗觀察所得高出許多,因此一定有一些其它的化學反應導致臭氧含量的減少。數十年之後,比利時的Marcel Nicolet提供了重要的知識,讓我們理解臭氧的分解會因HO 和 HOO 等氧自由基所促進。(譯註:氧自由基乃指在氧原子上具有單電子的存在)

圖一  在不同大氣高度之溫度與臭氧濃度變化

下一位對深入了解臭氧層中的化學,提供了非常基礎的貢獻之學者是 Crutzen。於1970年他展示了氮的氧化物 NO與 NO2 能催化性的(最終並未被消耗)與臭氧反應,因此加速了臭氧含量的減少。

 

這些氮的氧化物是透過不穩定的一氧化二氮(N2O)在大氣中的變化而產生的,而一氧化二氮則是由於在土地裡的微生物轉化所產出。由 Crutzen 所指出的土壤中微生物與臭氧層厚薄之間的關係,是造成最近全球生地化循環(biogeochemical cycles)相關研究急速發展的一項重要因素。

●第一個被注意到的威脅:超音速飛機

氮的氧化物造成臭氧分解的能力早就被一位美國研究者 Harold Johnson 注意到,他對氮化物的化學進行了廣泛的實驗探討,於1971年指出在規劃中的超音速機群以及超音速旅行(supersonic travel簡稱SST)可能對臭氧層的威脅。因為這些飛機將會在高度為20公里的臭氧層中釋放氮的氧化物。Crutzen與Johnson的研究在學者之間以及技術專家和政策決定者之間引起了強烈的辯論,這也是對大氣化學進行密集研究的開始,並在過去幾年(譯註:以1995年為基準)有了重大的進展。(接著所發生的大型SST機群計畫被取消,是因還有其它非關環境的風險因素在內)

●噴霧罐與冷氣機會破壞臭氧層

有關臭氧化學的知識在1974年又進行了另一次躍進,該年Molina 以及 Rowland 共同在”自然”期刊上發表了一篇受到廣泛注意的論文,那是有關氯氟碳化物(CFC)氣體對臭氧層的威脅,這種俗稱”freons”(海龍)的氣體可用在噴霧罐中,或做為冰箱或其它裝置所用的冷媒,亦常為製造泡棉類塑膠所用的氣體。Molina 與 Rowland 的結論是基於一些其他學者的兩項重要貢獻:

- James Lovelock (英國) 在不久之前發展出了一個高度敏感的裝置,稱為電子捕獲偵檢儀 (electron capture detector),用來量測大氣中極其微量的有機氣體含量。利用這個裝置,他展示了那些完全人造且化性愚鈍的CFC氣體,已經透過大氣分佈到了全球。

- Richard Stolarski與Ralph Cicerone (美國) 顯示了大氣中的氯原子能如同氮的氧化物一般,以催化的方式造成臭氧分解。

Molina 與 Rowland體認到那些化性愚鈍的CFC氣體能慢慢的遷徙到上方的臭氧層,在那裏受到強烈紫外線的迎接,將造成它們的分解而產生關鍵的氯原子。他們估算如果人類以持續不變的速率使用CFC氣體,數十年之後臭氧層將減少相當多的比例,而這項預測受到了極大的注目。因為CFC氣體用在許多科技產業,它們化性穩定又不具毒性,被視為對環境極為友善,是而許多人批評Molina 與 Rowland的計算,但有更多的人強烈的關注臭氧層將會消失的可能性。現在我們知道他們在所有的基本理論上都是正確的,甚至於我們發現他們其實低估了這項風險。

圖二  南極哈雷海灣(Halley Bay)上方臭氧層厚度(十月份之月平均)表,要注意於1970年代末期開始的急遽消減。本圖縱座標為臭氧量,單位為DU (Dobson unit),1 DU = 0.01 mm厚的純臭氧(標準狀態)

●南極上方的臭氧含量

Molina 與 Rowland的研究報告導致在1970年代末期到1980年代初期對釋放CFC的某些管制,但一直到了1985年真正震撼的現象發生之前,有關釋放管制的國際協商尚未具任何的急迫性,此時英國人Joseph Farman與其同僚注意到在南極上空的臭氧層之嚴重消失,即所謂的 ”臭氧破洞” (圖二)。這個至少是週期性發生的消失現象,遠超過早先根據CFC效應所做的計算之預測。現在研究學者之間的爭論更加劇烈了,到底這是一個自然的氣候變遷或是由於人類所帶來的化學分解呢?感謝那些包括Crutzen、Molina、Rowland以及兩位來自美國的Susan Soloman 和 James Anderson在內的許多研究人員的前瞻性研究,現在這個圖像已經弄清楚了,這個消失現象主要是因為來自工業界所製造的氣體產生的氯原子和溴原子,與臭氧進行化學反應所造成。

但是在南極上空臭氧層的快速消失是相當意外的,並無法以遷移的過程或氣相化學反應來解釋,這一定存在了另一個機制導致臭氧分解速率的加快。Crutzen與他的研究同仁找出了這個機制,那就是在平流層的雲層顆粒之表面所進行的化學反應,因此南極臭氧層消失似乎是與該處極低的溫度有關,這導致水汽和硝酸凝結生成 “極地平流層雲” (polar stratosphere clouds簡稱PSCs),臭氧分解的化學反應會因雲層顆粒的存在而大幅度增強。這項理解使得大氣化學的研究領域中出現了一個令人興奮的新分枝:在顆粒表面的”非均勻相”(heterogeneous)化學反應。

●臭氧層與氣候

臭氧的問題非常有趣的也與人類如何影響天氣的議題相關聯,臭氧與二氧化碳和甲烷一般也是溫室氣體,促成地球表面的較高溫度(CFC氣體具有類似的效應)。從模型的計算可看出天氣對在較低層,即對流層,的臭氧含量變化特別敏感,在此層中臭氧的含量於過去一世紀有顯著的增加,主要是因為來自車輛、工業製程和熱帶區域燃燒生質廢料釋放的NO、CO以及氣態碳氫化合物。在低層大氣中臭氧含量的增加,原本就會產生環境問題的,因為它會對作物及人體健康造成危害。Crutzen在描繪於此層中決定臭氧濃度的化學機制上,一直是世界上具領導地位的研究工作者。

 


圖三  有關平流層中氯原子含量變化於現在(1995)以及未來的三種劇情:(a) 無排放限制, (b) 根據原來1987年蒙特婁議定書的限制, (c) 現在國際協定的釋放限制。(氯原子含量是一種臭氧消失程度的量度;ppm為百萬分之一)

●對於未來有何預期?

感謝在臭氧問題上有了很好的科學性瞭解 – 主要來自Crutzen、Molina與Rowland的貢獻 – 使得抑制那些會破壞臭氧的氣體排放,這個影響深遠的決定成為可能。於1887年,聯合國在加拿大蒙特婁主辦的協調會,最終對保護臭氧層簽訂了國際議定書。於最近一次更嚴格的蒙特婁議定書中,那幾種最具威脅的氣體將於1996年完全禁用(開發中國家會有幾年的緩衝期以便轉換成使用不會影響臭氧的取代物)。由於破壞臭氧的氣體進入臭氧層會需要一些時間,我們必須預期不僅是在南極或某些北半球區域的上方,臭氧的消失將在未來幾年加劇,但只要遵守限制使用的協定,臭氧層將會在這世紀(二十世紀)過後逐漸的復原(圖三),然而要完全回復將需要至少百年。(譯者註:2016年已經觀察到復原的跡象)

 

三位得獎者於1995年時職位:

Paul Crutzen, 德國Max-Planck-化學研究所教授。

Mario Molina, 美國麻省理工學院地球、大氣、星球科學與化學系合聘教授。

F. Sherwood Rowland, 美國加州大學爾灣分校化學系教授。

 

 

譯者後記:

時值2017年春夏之交,譯者正在教兩個與地球科學相關科系的新生普通化學,剛要進入化學動力學的討論,其中將會提到氮的氧化物與氯原子,如何催化性破壞平流層大氣中臭氧的化學機制。這個課題正是1995年得到諾貝爾化學獎的主題,然而至少譯者所用的教課書卻並未提到得獎的三位重要科學家,因此興起了念頭,翻譯一下當年諾貝爾獎委員會發佈的新聞稿。

在這22年之後重新回顧當時的這份文稿,不勝唏噓。常聽人言,讀史能鑑古知今,的確,此文立即讓我想到目前另一討論不休的議題,亦即全球暖化。有關此議題的現況不就如同當年臭氧層消失的爭辯嗎?

視二氧化碳排放為全球暖化元凶的科學家們提供了許多的證據,全球升溫2 oC的劇情已在多年前提出。根據國際能源總署於2009年的估算,如果對CO2的排放沒有決定性的限制,由於能量需求所釋出的CO2將於2050年加倍。終於談成的巴黎協定已於2016年底開始生效,但即便如此,按照巴黎協定恐仍難逃2 oC的威脅,如何在2100年達成碳中和(carbon-neutral)的目標,仍有待新的共識或新科技的進展。

同樣的在上述正向的發展中,另一股力量仍堅信目前感受到的全氣候劇烈變遷乃屬自然的變化,與人類的活動無關。而此派人物目前最著名者不外乎美國總統川普,更有甚者,他指派了一位與美國石油企業有極深關係的人擔任美國環保署署長,此君擺明了不信CO2與全球暖化的關聯性,將可預期美國在未來四到八年將大量開採煤礦和石油,助長二氧化碳排放,有關全球暖化研究的經費則將大量減縮。是福是禍只有時間能告訴我們,至少現在正在教的一年級新生有大半是有望活到2100年的,他們將有機會看到答案。

其實本篇譯文可以給我們的是一個正面的訊息,只要我們正視歷史,相信科學,取得共識,即便是一個巨大的臭氧層破洞,在全人類共同努力下,已經於2016年看到復原的跡象,愚公可以移山,善莫大焉。我們在此美麗的島嶼之上,該以何種態度來參與則需要全民的智慧。譯者自認為仍可再活三十年,誠心的希望在我火化,不可避免地提供最後一點二氧化碳之前,大氣中的二氧化碳濃度已經能看到顯著的下降,那我將可含笑離去。

參考資料:World Energy Outlook 2016

 

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