左岸科學咖啡館

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臭氧層破洞的主要原因為何?

人們意識到臭氧層破壞問題,最早是 1974 年美國科學家羅蘭(Sherwood Rowland)和莫里納(Mario Molina)提出氟氯碳化合物(chlorofluorocarbons, CFC,為冷媒、工業清潔劑、填充劑、噴霧劑等的主要成份)破壞臭氧層的理論;至 1985 年南極觀測站的科學家利用探空氣球發現臭氧濃度有減少趨勢後,更加確認上述論點。由於臭氧層會吸收紫外光,保護地表生物,若破洞不斷擴大,高量的紫外光將危及動、植物的健康,因此各國很快在 1987 年簽定蒙特婁公約,管制 CFC 的生產。然而,2007 年美國噴射推進實驗室的研究員波普(Francis Pope)卻得出 CFC 破壞臭氧的速率低,不足以形成臭氧洞。究竟臭氧洞與 CFC 之間的關聯性如何?

破洞形成關鍵

根據科學家測得的臭氧濃度顯示,臭氧層破洞形成於每年極區的冬天至初春,初春達最大,過了初春,破洞開始縮小,至夏、秋之際臭氧濃度逐漸升高,但到隔年冬天破洞又會逐漸形成、擴大。南極的臭氧洞問題比北極嚴重得多,目前的理論認為,關鍵在於南極有強勁的「極區渦漩」,因為臭氧洞大小及形成時間與極區渦旋正好相吻合。 

中央大學大氣科學系教授王國英表示,受大氣環流、南極陸地面積小等諸多因素影響,南極冬天的平流層會出現風速每秒約 60~70 公尺的渦漩,強勁渦漩隔絕了外來的暖空氣,再加上冬天缺乏太陽輻射,致使渦漩內溫度不斷下降,低溫會持續三個月,最低可達 -100℃ 以下。 

這樣的低溫會導致平流層產生冰晶,形成「極區平流層雲」(polar stratospheric clouds, PSC),人造的 CFC 進入平流層時,會先受到光化分解形成如HCl、ClONO2 等化合物,之後再與極區平流層雲的固態冰晶碰撞,釋出氯分子,氯分子受到陽光照射,就會分解為氯原子。氯原子就是導致臭氧濃度下降的元凶,它會產生催化作用,加速臭氧分解成氧氣。人類排放的氯原子含量其實不到臭氧分子的1/1000,但由於氯原子是扮演催化劑角色,可持續分解臭氧,因此對臭氧層造成相當大的威脅。在南極上空,極低溫時期長達三個月,濃厚的極區平流層雲會使 CFC 大量分解。北極雖然也會形成渦漩,但強度不大,冷暖空氣有機會混合,因此極區渦漩內的極低溫不太可能長達三個月,臭氧層遭破壞情形也就沒那麼嚴重。 

如何證明CFC是不是元凶?

目前科學家主要是依據過氧化氯吸收陽光放出氯原子的反應速率,來預估 CFC 造成臭氧洞的嚴重性。傳統測定法是讓紫外光通過過氧化氯的樣品槽,藉由測量紫外光衰減的程度,推算出過氧化氯吸收陽光的截面積,其值越大表示越容易吸收紫外光,破壞臭氧的速度就越快。然而純的過氧化氯不易製造,又無法確定樣品槽內各種分子吸收紫外光的比例,造成的誤差範圍可高達20~50%,也因此不同科學家推算 CFC 的破壞速率都不一樣。不過大部份的研究結果都認為 CFC 確實能造成臭氧洞,直到波普在 2007 年得出相反結果,學界才開始懷疑先前臭氧洞形成的理論。 

然而,中央研究院原子與分子科學研究所與交通大學應用化學系合聘副研究員林志民領導的團隊以此為題進行研究,卻再次推翻了波普的研究結果。他們為了提升實驗準確率,改採質譜儀測量過氧化氯受紫外光照射後過氧化氯分子減少的數目。由於質譜儀可以只偵測過氧化氯分子,不受其他雜質干擾,誤差降到5%。林志民團隊測得的過氧化氯在 351 奈米波段的吸收截面積約為 10-19 平方公方,是波普的 10 倍(截面積越大表示越容易吸收陽光而分解出氯氣),也就是說,實驗結果重新證實過氧化氯分解出氯原子的速度相當快,CFC 確實是臭氧洞的元凶。該成果發表在今年 5 月的《科學》。 

自從蒙特婁公約於 1989 年生效後,臭氧層破壞物已有下降趨勢,不過臭氧洞最快也要等到 2050 年才有機會復原,未來只要各國遵守公約,讓平流層的氯及其他能夠透過催化反應、加快臭氧分解的分子,以ClONO2、HNO3等較重分子的形式沉降至對流層後,就能使臭氧洞縮小,地球的生物圈也就不用再受到紫外光的威脅了。

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