1.平流层的物理化学特征

    顾名思义，平流层的最大特点是大气以平流运动为主，极少垂直方向的对流运动。这主要是因为平流层的温度结构与对流层不同，在对流层顶到距地表大约35公里的高度内，大气温度变化非常微小，这一高度平流层的大气温度非常低，大约在-80^O 左右。自35 km 到平流层顶，气温随高度的升高而上升。平流层温度低，空气稀薄，极少水蒸气，在这一层也极少天气过程发生。

    由于平流层的高度较对流层高，因此与到达地表的太阳辐射相比，平流层的太阳辐射含有更多的短波紫外辐射。一般将来自太阳的紫外辐射按照波长的大小分为三个区，波长在315-400 nm （1nm =10^-9 m）之间的紫外光称为UV-A 区，该区的紫外线不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生物圈的损害。事实上，这一波段少量的紫外线也是地表生物所必需的，它可促进人体的固醇类转化成维生素D，如果缺乏会引起软骨病，尤其对儿童的发育产生不良的影响；波长为280-315 nm的紫外光称为UV-B 区，这一波段的紫外辐射是可能到达地表并对人类和生态系统造成最大危害的部分；波长为200-280 nm的紫外光部分称为UV-C 区，该区紫外线波长短，能量高，不过这一区的紫外线能被大气中的氧气和臭氧完全吸收，即使是平流层的臭氧发生损耗，UV-C 波段的紫外线也不会到达地表造成不良影响。

    平流层中最重要的化学组分就是臭氧（O₃）。臭氧是地球大气中的一种微量气体，由三个氧原子组成，是我们熟知的氧气的同素异形体。臭氧在大气中通常分布在两层，即对流层和平流层中。环绕在地球表面至高空8-16公里范围内的一层大气称为对流层，这一层中的臭氧对人类和生态环境是有害的，它也是当前城市大气光化学烟雾污染的主要物质。对流层向上至大约50公里左右的范围，就是通常所称的平流层。实际上，平流层保存了大气中90% 的臭氧，位于这一高度的臭氧能有效地吸收对人类健康有害的紫外线（UV-B段），从而保护了地球上的生命。

2 平流层臭氧的生成和去除

    关于平流层臭氧的生成和消耗，查普曼（Chapman）于1930年提出了一个纯氧体系的光化学反应机制。

    Chapman提出的平流层化学过程是这样的：来自于太阳的高能量的紫外辐射在到达地球表面之前，其中高能的紫外线使得高空中的氧气分子发生分解，成为两个氧原子，其化学反应可以表示为：

这个反应产生的氧原子具有很强的化学活性，因此能很快与大气中含量很高的氧分子发生进一步的化学反应，生成臭氧分子：

O₂ + O → O₃

生成的臭氧分子在平流层也能吸收紫外辐射并发生光解：

    Chapman机制在提出以后近30年的时期内，一直是居于统治地位的学说。但是1974年美国科学家约翰斯顿（Johnston）对这一机制进行了定量的计算，发现Chapman机制中的臭氧损耗，即使加上平流层向对流层的臭氧输送，也只占其机制中臭氧生成的20%。这一结果表明，在平流层臭氧的动态平衡中，一定还存在其它更重要的臭氧损耗过程。

    实际上，平流层大气尽管远比对流层稀薄，但也含有一定量的水汽、含氮化合物和含卤族化合物等。科学家发现，除了Chapman提出的臭氧去除反应外，平流层臭氧更重要的去除途径是所谓催化反应机制：

Y + O₃ → YO+ O₂

YO+O → Y+ O₂

    其净结果是：

O₃ + O → 2O₂

    其中的Y主要是指平流层中的三类物质，即奇氮（NO，NO2），奇氢（OH，HO2）和奇氯（Cl, ClO）等。在上述反应过程中，物质Y破坏了一个臭氧分子，但Y本身却并没有被消耗，它还可以继续破坏另一个臭氧分子。化学反应中起这样作用的物质称为催化剂。上述的反应称为催化反应。

    通过以上的臭氧生成及消耗反应过程，臭氧和氧气之间达到动态的化学平衡，大气中形成了一个较为稳定的富含臭氧的大气层，其中臭氧浓度最大的高度大约在距离地球表面15-25公里处，这一高度的大气层就是目前已妇孺皆知的臭氧层。臭氧层对太阳的紫外辐射尤其是UV-B段有很强的吸收作用，有效地阻挡了对地表生物有伤害作用的短波紫外线。因此，实际上可以说，直到臭氧层形成之后，生命才有可能在地球上生存、延续和发展，臭氧层是地表生物系统的“保护伞”。

3. 臭氧层破坏

• 南极臭氧洞

    虽然平流层臭氧对地球生命具有如此特殊重要的意义，然而事实上臭氧层在大气中只是极其微少和脆弱的一层气体。如果在摄氏零度的温度下，沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3毫米左右。这种用从地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法，采用多布森单位（Dobson unit，简称D.U.）来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300 D.U.。

    近三十年来，人们逐渐认识到平流层大气中的臭氧正在遭受着越来越严重的破坏。许多科学家很早就开展了对平流层中臭氧的来源与去除过程的研究。1985年，英国科学家法尔曼（Farmen）等人总结他们在南极哈雷湾观测站（Halley Bay）的观测结果，发现从1975年以来，那里每年早春（南极10月份）总臭氧浓度的减少超过30%。这一发现得到了许多其它国家的南极科学站观测结果的证实。如此惊人的臭氧减少引起了全世界极大的震动。臭氧层破坏的问题也从此开始受到不仅来自科学界，而且来自世界各国政府、企业和社会各界的广泛重视。

    南极是一个非常寒冷的地区，终年被冰雪覆盖，四周环绕着海洋。从八十年代中期开始出现关于南极上空臭氧层浓度在春季（10月份）期间显著下降的报道起，进一步的测量表明，在过去10-15年间，每到春天南极上空的平流层臭氧都会发生急剧的大规模的耗损，极地上空臭氧层的中心地带，近95%的臭氧被破坏。从地面向上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比象是形成了一个“洞”，直径达上千公里，“臭氧洞”就是因此而得名的。卫星观测表明，臭氧洞的覆盖面积有时甚至比美国的国土面积还要大。

    臭氧洞被定义为臭氧的柱浓度小于200 D.U.，也即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过30%的区域。臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积，深度以及延续的时间。1987年10月，南极上空的臭氧浓度降到了1957-1978年间的一半，臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆。从那以后，臭氧浓度下降的速度还在加快，有时甚至减少到只剩30%；臭氧洞的面积也在不断扩大，1994年10月17日观测到的臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。近几年臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展，1995年观测到的臭氧洞发生期间是77天，到1996年南极平流层的臭氧几乎全部被破坏，臭氧洞发生期间增加到80天。1997年至今，观测到的臭氧洞发生的时间也在提前，连续两年南极臭氧洞从每年的冬初即开始，1998年臭氧洞的持续时间超过了100天，是南极臭氧洞发现以来的最长记录，而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%，几乎可以相当于三个澳大利亚。这一切迹象表明，南极臭氧洞的损耗状况仍在恶化之中。

    进一步的研究和观测还发现，臭氧层的损耗不只发生在南极，在北极上空和其它中纬度地区也都出现了不同程度的臭氧层损耗现象。实际上，尽管没有在北极发现类似南极洞的臭氧损失，但科学研究发现，北极地区在一月至二月的时间，16-20公里高度的臭氧损耗约为正常浓度的10%， 北纬60^o-70^o范围的臭氧柱浓度的破坏约为5% - 8%。因此，与南极的臭氧破坏相比，北极的臭氧损耗程度要轻得多，而且持续时间相对较短。

    实际上，臭氧总浓度的减少在全球范围内发生。利用地面观测和卫星资料，中国气象科学院的周秀骥报道了我国在青藏高原存在一个臭氧低值中心。中心出现于每年六月，中心区臭氧总浓度的年递减率达0.345%，这在北半球是非常异常的现象。研究还发现，自1979年以来，我国大气臭氧总量逐年减少，年平均递减率为0.077%-0.75%。根据全球总臭氧的观测结果，除赤道地区外，臭氧浓度的减少在全球范围内发生，臭氧总浓度的减少情况随纬度的不同而有差异，从低纬到高纬臭氧的损耗加剧，1978年至1991年间每十年的总臭氧减少率为1%-5%。