為何人類需要臭氧層?臭氧層如何因人類而破洞?& 談氣膠與大氣、海洋、人文的關係

<為何人類需要臭氧層?臭氧層如何因人類而破洞?>

地球大氣層中的臭氧分子,能夠吸收陽光中對生物有害的紫外線,然而臭氧層卻因為人類近數十年來的活動,在南極上方破了一個大洞。本講次說明臭氧吸收紫外線的機制,以及臭氧層破洞的成因。

講師:林志民|中央研究院原子與分子科學研究所研究員

要了解臭氧層對於人類的重要性,首先要從光子能量與波長的關係說起,也就是愛因斯坦獲頒諾貝爾獎的普朗克關係式: E = hv 。光子能量 E 與光的頻率 v 成正比,而光的頻率跟波長成反比,因此光子能量與光的波長之間,存在著一個成反比的關係;大多數化學鍵的強度大約落在 80 - 100 KCal/mol 之間,這個光子能量強度正好對應到紫外線光的波長,也就是說受到紫外線光照射的化學鍵,分子分解的機率就會大增。

第二個我們要知道的事實,是分子吸收光子的截面積各有不同,同一種分子吸收光子的截面積,也會隨著光的波長而改變——換句話說,各種分子吸收光子能量的能力不但有所差異,其擅長吸收的波長也各有千秋。地球大氣中濃度很高的氧分子,只能吸收紫外線光的短波長段 UV-C ;比氧分子多一個氧原子的臭氧分子,就能夠吸收中波長段的紫外線光 UV-B ,其吸收光子的截面積也是在 UV-B 的波長達到高峰。

臭氧分子吸收光子能量後,可能會變成溫度比較高的臭氧分子,或是裂解成氧分子跟氧原子;氧原子本身還是很容易跟氧分子結合,再度成為臭氧分子,因此在自然狀態下,大氣中的臭氧濃度,大致可以維持一種動態平衡的穩定狀態。但是如果大氣中有高濃度的氯原子,它首先會跟臭氧反應,形成氧化氯自由基,再進一步結合成氧化氯二聚體,之後在低溫條件下吸收陽光能量,釋放出原本從臭氧那裡得到的氧原子形成氧分子,同時本身還原成氯原子。這個過氧化氯循環,會不斷消耗大氣中的臭氧。

科學家在 1970 年代發現,因為其穩定、無毒、不易燃的特性,被廣泛使用的氟氯碳化物,會停留在大氣中長達 40 到 150 年,而氟氯碳化物吸收光子能量後,恰恰會釋放出消耗臭氧能力極強的氯原子;這個理論在 1980 年代得到證實,也就是在南極上方出現著名的臭氧層破口。當時世界各國對於這個環保問題的反應還算積極,在 1987 年簽署的蒙特婁公約中,議定管制排放氟氯碳化物;之後發現管制幅度仍嫌不足之後,陸續在倫敦跟哥本哈根召開的會議中提出修正案,擴大列管物質,並提前停止生產的期限。

人類當初因為對於氟氯碳化物與臭氧的反應機制所知不足,加上貪圖生活便利,大量使用氟氯碳化物,遂造成臭氧層的嚴重破口。人類既不知道氧化氯二聚體的催化循環效率如此之高(一個氯原子可以消耗大約十萬個臭氧分子),也沒有估算到氟氯碳化物可能會留存在大氣裡上百年。所幸亡羊補牢,猶未晚矣,人類在彌補臭氧層破口這件事上,算是作為積極,也獲得了還不錯的成果。但願我們面對其他重大的議題時,也能夠如同處理臭氧層破口那般,積極且及時地彌補過錯。

 

<談氣膠與大氣、海洋、人文的關係>

俗稱 PM 2.5 懸浮微粒的氣膠,近年來造成嚴重的空汙問題。世界衛生組織不但宣布 PM2.5 為致癌因子,甚至估計每年死於空汙問題的人數多達 700 萬人。在環境汙染致死人數,已超越戰爭、天災、疾病等等傳統災難的情況下,你我該如何因應?

講師:王家蓁|中山大學化學系副教授兼氣膠科學研究中心主任

氣膠 (aerosols) 泛指懸浮在氣體中的微粒,尺寸通常介於幾奈米到幾百微米之間,可以呈固態或液態,自然因素或人類活動都有可能產生。氣膠在大氣中扮演了許多關鍵角色,直接從分子層級影響雲層形成、熱平衡、以及各種光化學反應。

近年來人們耳熟能詳的 PM 2.5 ,則是指氣動力學直徑小於 2.5 微米的細小懸浮微粒;這種會形成霧霾的懸浮微粒,穿透肺泡的能力更強,影響到人們的呼吸功能。霧霾並不是近代才出現的現象,翻開中國歷代史書,不時會有「黃霧蔽日」、「風霾陰翦」、「黑氣掩日」等等,非常類似霧霾的描述。以前的霧霾是自然界產生,比方說火山爆發、海鹽飛沫、陸地揚塵等等;近年來的霧霾來源則多了人類活動,有固定地點排放的工廠廢氣,交通運輸工具移動時所排放的石化燃料廢氣,甚至抽菸、燒香、燃燒生質所逸散的煙霧。

有些霧霾是原生性的,直接從自然或人為活動排放出來,比方說 1952 年的倫敦煙霧事件,就是典型的人為原生性霧霾,直接或間接導致多達 12,000 人喪生。這場霧霾的起因是當年 12 月初,高氣壓籠罩英國全境,倫敦居民在寒冷的天氣下大量燃燒煤炭取暖,交通工具也全面使用內燃引擎啟用暖氣,排放出亞硫酸等汙染物質,在冷空氣中被封閉無法排散,形成高濃度的硫酸霧,引發人們出現呼吸道疾病症狀。為緩解霧霾問題,英國在 1956 年頒布《清潔空氣法》,將倫敦市區的工廠全數移到郊區,並且全面改造住家暖爐設備,減少煤炭燃燒;在 1974 年又追加《汙染控制法》,限制車用油品的含硫量,並且在 1993 年規定出廠新車必須加裝催化器,減少尾氣排放汙染。這些措施有效地減少了倫敦每年的霧霾天數。

除了原生性霧霾以外,另外有一種衍生性霧霾,是排放到大氣中的化學物質,經過化學反應之後生成, 1940 跟 1950 年代的洛杉磯光化學煙霧便屬此類。從 1943 年開始,洛杉磯每年夏季到早秋,只要是放晴的日子,城市上空就會瀰漫煙霧,使居民產生雙眼發紅、咽喉疼痛、呼吸憋悶、頭昏頭痛等不適感;研究發現這些煙霧的來源,是汽車尾氣跟工業廢氣排放的碳氫化合物跟氮氧化合物,受到強烈的陽光紫外線照射下,發生光化學反應,產生含劇毒的煙霧。洛杉磯也因此催生了《清潔空氣法》,為交通汙染源設立嚴格標準,並建立排放許可制度,將市場化手段引入環境減排措施中,這是美國環境管理的轉捩點。

PM 2.5 懸浮微粒不但會造成慢性阻塞性肺病 (COPD) ,還可能會對腦部以及認知能力造成永久性損傷,增加罹患阿茲海默症和失智症的風險。我們對 PM 2.5 物理化學特性的了解與日俱增,但是如何以環保法規以及乾淨替代能源限制其排放量,仍有賴各界人士跨領域的共同努力。

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