汪帮主卫星遥感空间分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zjwang 湖北鄂州人,2011年博士毕业于吉林大学。现从事卫星遥感技术工作。

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大气臭氧的重要性及几个关键概念

已有 8218 次阅读 2009-3-18 13:12 |个人分类:卫星遥感|系统分类:科普集锦| 大气, 皮肤, 辐射, 臭氧, 紫外

    太阳产生的辐射主要是电磁波谱中的可见光部分,同时也产生波长范围在1-400nm的紫外(UV)辐射。我们关心臭氧辐射因为这些射线具有破坏DNA分子化学键的通量,而后损害细胞。大部分动植物能够对受损的细胞进行自我修复,但,一般来说,如果这些损伤的DNA分子没有修复的话,就会被复制,导致皮肤癌症的危险(基底细胞瘤、鳞状细胞癌、黑素瘤等)。   

    臭氧分子由三个氧原子组成,绝大部分的大气臭氧在介于10公里到50公里的平流层。

1.氧分子在波长低于240纳米的紫外辐射(UV-c)下分解为两个氧原子,这些氧原子(O)然后与其他氧分子(O2)反应生成臭氧(O+O2->O3)。

2.一个臭氧分子能被太阳紫外辐射分解成一个氧分子和一个氧原子,然后氧原子还可以与其他的氧分子反应生成臭氧。这一臭氧-氧原子循环能消耗紫外辐射并将其转化为热。

3.紫外辐射能破坏DNA分子的化学键,不过幸运地是,臭氧能吸收损害DNA的那一部分紫外辐射光谱。臭氧对于屏蔽UV-a(320-400纳米)无能为力,能部分地屏蔽UV-b(280-320纳米),完全屏蔽能量极大的UV-c(200-280纳米)。

4.臭氧能被催化过程破坏,其中臭氧分子减少,但是催化剂(氯,氮,溴,氢)重新被生成来破坏其他的臭氧分子。

5.生命周期较长的痕量气体,如氯氟烃(CFCs),从热带对流层上部上升到平流层。进入平流层后,氯氟烃一般转移到中纬度地区,且被带出平流层重新进入对流层;另外一小部分继续上升至平流层顶(臭氧层之上),被极短波长太阳紫外辐射分解并释放氯,从而破坏臭氧。

6.南极臭氧洞是由于人类对平流层的污染(主要是氟氯烃)直接导致的。南极臭氧洞出现在南半球每年的春季(8月-10月),即极冷的南极冬天之后。臭氧洞由发生在极平流层云(PSC)颗粒表面的化学反应形成。这些反应把良性形成分(HCl和ClONO2)中的氯释放出形成能快速催化破坏臭氧的成分(ClO)。

7.像氟氯烃这样的化合物能够导致臭氧的减少这一事实,现在国际上已经形成一致共识。能破坏臭氧的含氯化合物浓度在低空大气中已经开始减少(从1996开始),而且对流层也开始减小。飞机和温室气体对大气的未来影响正在研究之中。

(自Stratospheric Ozone (An Electronic Textbook,NASA GSFC))

图1 一个典型的北半球中纬度地区臭氧廓线。平流层介于对流层顶与平流层之间(红色标记),叠加在上的是紫外辐射,它是高度的函数,按波长的长短分为三部分,UV-a(320-400nm,青色),UV-b(280-320nm,绿色)和UV-c(200-280nm,品红)。条带宽度表示以高度为函数的能量的大小。UV-c能量随臭氧增加显著地减小,因为200-280nm波段对其有强烈的吸收,UV-b也有强烈有吸收,只有一小部分到达地面,UV-a只有很小一部分被臭氧吸收。

(自Stratospheric Ozone (An Electronic Textbook,NASA GSFC))

图2 在不同高度(大气顶,30km,20km和地表)紫外辐射通量与波长的关系。红线显示的是臭氧减少10%辐射后的地表通量,蓝线显示的是DNA反应光谱,反应光谱定义为以生物的影响,是波长的函数,值越大表明对生物破坏越大。

从图1中可以看到UV-c在中平流层遇到臭氧时,会快速地被吸收从而不能到达地表;UV-b部分被吸收,UV-a很少被吸收。而图2中显示了,紫外辐射对NDA的影响随波长增加而迅速减小,而恰好吸收随波长增加而减小,这也没关系,反正强破坏UV-c的也完全被吸收了。正因为臭氧对极具破坏力的UV-c的吸收有强烈的效果,因此防晒生产商不需要关注UV-c,生产商只需要减小皮肤对具有破坏力的UV-b和具有少量破坏力的UV-a辐射的吸收。

注:作者主要参考Stratospheric Ozone (An Electronic Textbook,NASA GSFC)整理而成。



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