臭氧消耗問(wèn)題影響探究

　　摘 要：從20世紀(jì)80年代，人們發(fā)現(xiàn)臭氧消耗帶來(lái)負(fù)面影響，為此人們開(kāi)始采取措施對(duì)臭氧進(jìn)行保護(hù)。對(duì)過(guò)去三十年數(shù)據(jù)的分析，我們得到結(jié)論是：除去不可抵抗因素外（火山噴發(fā)、太陽(yáng)周期有關(guān)現(xiàn)象等），全球臭氧含量年平均值將趨于穩(wěn)定；部分地區(qū)、不同季節(jié)仍有差異。
　　關(guān)鍵詞：臭氧消耗；環(huán)境溫度；風(fēng)速；ODGI
　　一、臭氧消耗問(wèn)題現(xiàn)狀
　　1985年英國(guó)南極考察隊(duì)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，引起世界各國(guó)極大關(guān)注。為此，1985年，20個(gè)國(guó)家簽署了保護(hù)臭氧層的維也納公約。且于1987年在世界范圍內(nèi)簽訂了限量生產(chǎn)和使用氯氟烷烴等物質(zhì)的《蒙特利爾協(xié)定》。20世紀(jì)50年代到70年代就發(fā)現(xiàn)臭氧濃度有減少的趨勢(shì)。其明顯現(xiàn)象為：
　�。�1）地球平流層中臭氧總量（臭氧層）穩(wěn)步下降
　�。�2）春季平流層臭氧減少尤其劇烈，這一現(xiàn)象也稱為臭氧層空洞——常出現(xiàn)在地球的兩極地區(qū)。
　　（3）除了這些眾所周知的平流層現(xiàn)象，也有春季極地對(duì)流層臭氧損耗事件。
　　關(guān)于臭氧層空洞的形成，在世界上占主導(dǎo)地位的是人類活動(dòng)化學(xué)假說(shuō)：人類大量使用的氯氟烷烴化學(xué)物質(zhì)（如制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑等），產(chǎn)生氯氟烴與鹵代烴、氧化亞氮等氣體，在大氣對(duì)流層中不易分解，當(dāng)其進(jìn)入平流層后受到強(qiáng)烈紫外線照射，同臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴(yán)重破壞。而臭氧層的臭氧濃度減少，使得太陽(yáng)對(duì)地球表面的紫外輻射量增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞作用，影響人類和其他生物有機(jī)體的正常生存。
　　二、科學(xué)分析臭氧消耗原因
　　我們需要建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)50年內(nèi)臭氧水平。我們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上的文獻(xiàn)和資料，了解到了影響臭氧總量的主要原因：1）人為影響，人類活動(dòng)產(chǎn)生的含氯化合物進(jìn)入大氣層；2）區(qū)域性天氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程3）與太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān)的自然現(xiàn)象過(guò)程4）火山活動(dòng)。我們忽略掉3、4兩條原因，主要考慮人類活動(dòng)因素和自然因素的原因。對(duì)于人類活動(dòng)因素，我們考慮到了人口密度和消耗臭氧的化學(xué)物質(zhì)。
　　我們選取了五個(gè)不同的觀測(cè)站（SPO.BIS.PTH.OHP.FBK）進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，觀測(cè)站的選取主要根據(jù)：所述地區(qū)的人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、所在地緯度。對(duì)于消耗臭氧的化學(xué)物質(zhì)，我們通過(guò)ODGI這一數(shù)據(jù)在近二十年的分析，以及發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家對(duì)于ODGI內(nèi)各項(xiàng)數(shù)值的影響和總體影響。初步得到結(jié)論，根據(jù)得到結(jié)論進(jìn)行模型假設(shè)。驗(yàn)證模型過(guò)程中，我們首先選擇了南極作為我們的研究對(duì)象，之所以選用南極作為研究對(duì)象，是由于我們?cè)诜治鰯?shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，近三十年內(nèi)，南極臭氧總量的變化浮動(dòng)最為強(qiáng)烈，年內(nèi)變化也有明顯的周期太浮動(dòng)，為了能夠通過(guò)一個(gè)站點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證多個(gè)站點(diǎn)，已達(dá)到用個(gè)體來(lái)驗(yàn)證總體的過(guò)程，故選用南極作為研究對(duì)象來(lái)預(yù)測(cè)全球的臭氧含量變化。了解大氣物理學(xué)一書(shū)，進(jìn)行大氣運(yùn)動(dòng)的尺度分析，運(yùn)用大氣垂直運(yùn)動(dòng)方程，了解到能夠影響臭氧在南極變化的原因：1）ODGI消耗臭氧；2）南極風(fēng)速的影響；3）南極溫度的影響。這也是我們建立模型的自變量。我們?cè)诰W(wǎng)上搜索到有關(guān)文獻(xiàn)和詳細(xì)數(shù)據(jù)，分類匯總，把所有數(shù)據(jù)按照年、月、日統(tǒng)計(jì)并分類比較做差，再用matlab結(jié)合所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。說(shuō)明我們建立的模型符合南極近臭氧含量近十年的變化。然后我們把其他四個(gè)監(jiān)測(cè)站用這個(gè)模型進(jìn)行檢測(cè)，得到我們的結(jié)論。
　　三，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
　　通過(guò)去三十年數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)近十年來(lái)，臭氧總量水平幾乎穩(wěn)定，不像20世紀(jì)80時(shí)年代數(shù)據(jù)下降明顯。產(chǎn)生這種情況的原因是：近年來(lái)人類控制消耗臭氧的物質(zhì)排放，主動(dòng)保護(hù)臭氧。所以在分析對(duì)未來(lái)50年的預(yù)測(cè)過(guò)程中，我們不需要再用龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)逐年進(jìn)行分析，只需要把近十年的數(shù)據(jù)處理好。如果再把三十年的數(shù)據(jù)與近十年的數(shù)據(jù)整合到一起，反而會(huì)破壞模型。相當(dāng)于改變了模型變量的條件。
　　我們節(jié)選12年的數(shù)據(jù)，以月為自變量，以臭氧含量為因變量，通過(guò)MATLAB多項(xiàng)式線性擬合，得到各個(gè)站點(diǎn)年間臭氧總量水平變化。
　　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
　　得到各站點(diǎn)的擬合圖和擬合方程可以得出以下結(jié)論：
　�。�1）在北半球，大部分地區(qū)臭氧層的厚度在春季變大，秋季變小，高緯度地區(qū)變化凡更明顯。
　　（2）全球范圍內(nèi)，氣柱臭氧總量變化范圍約為200～450DU，平均約為300DU.，有年震蕩現(xiàn)象。
　　（3）在南半球春季臭氧含量明顯減少，甚至達(dá)到100DU，在學(xué)術(shù)上成為臭氧洞。
　　綜上，我們選取南極作為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。
　�。�4）南極近12年臭氧總量變化
　　南極2005-2016各月臭氧總量圖
　　通過(guò)上圖發(fā)現(xiàn)，每年2-8月臭氧總量平穩(wěn)，但是在9-11月——春季臭氧出現(xiàn)驟降，這就是所謂的臭氧空洞現(xiàn)象導(dǎo)致。
　　這與南極以外地區(qū)全年各季節(jié)臭氧總量變化趨勢(shì)都有所不同。
　　主要造成這部分現(xiàn)象的原因有；
　�。�1）南極平流層3月份開(kāi)始出現(xiàn)極地渦旋一直維持到9月份，這種極地渦旋一方面阻止了臭氧的經(jīng)向交換，使得低緯度上空的臭氧難以進(jìn)入渦旋予以補(bǔ)充。另一方面使得渦旋內(nèi)產(chǎn)生的臭氧得以保存，成為一個(gè)準(zhǔn)封閉系統(tǒng)。所以3月到7、8月間臭氧含量相對(duì)穩(wěn)定，這是出現(xiàn)臭氧洞的必要條件。
　　（2）大氣動(dòng)力學(xué)原因：大氣動(dòng)力不會(huì)減少臭氧，但它能將臭氧重新分布。大氣化學(xué)原因：氟氯化物對(duì)臭氧的破壞作用，這些物質(zhì)主要是北半球中緯度地區(qū)排放的，在大氣環(huán)流作用下能長(zhǎng)距離運(yùn)輸并擴(kuò)散到達(dá)平流層。可破壞臭氧的氟氯化物由于大氣壓力作用被送入平流層，且在穿越對(duì)流層時(shí)由于低溫相當(dāng)部分沒(méi)有在低空反應(yīng)。平流層上太陽(yáng)輻射使氟氯化物分解出氯原則子破環(huán)臭氧。
　　結(jié)論：全球臭氧年總量將趨于穩(wěn)定，并且有年周期的震蕩現(xiàn)象。南極春季的臭氧總量變化，與當(dāng)?shù)氐臏囟瘸删�性關(guān)系，當(dāng)?shù)販囟仍降统粞醯臏p少速度會(huì)越快。溫度對(duì)臭氧的產(chǎn)生沒(méi)有直接的原因，但是可以間接的反映出臭氧總量變化的趨勢(shì)。
　　（作者單位：武漢理工大學(xué)）

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