氯氟烴 (CFCs) 比空氣重,那麼科學家們是如何認為這些化學物質能夠到達臭氧層的高度並對其產生不利影響的呢?

佛羅里達大學環境工程科學系的 Jean M. Andino 回答說

“必須考慮兩個問題:對流層(大氣層的最底層)和上覆平流層之間混合的機制,以及 CFCs 在對流層中停留的平均時間,在這段時間內,化學過程會將它們從空氣中清除。 廣義而言,大氣內部的混合是由溫度差異和壓力梯度引起的。 這些不規則性使得一些空氣團具有浮力,從而導致汙染物在整個大氣層中傳輸。 如果溫度和壓力變化足夠大,含有汙染物的氣團可以穿過對流層並進入平流層,就像熱氣球可以用來將人升到高空並從一個地方運送到另一個地方一樣。 然而,只有當在汙染物仍在對流層中時,沒有主要的機制將其從空氣中去除,汙染物才能到達平流層。”

“一般來說,大氣中去除化合物主要有兩種機制:沉降和反應。 沉降的一個常見例子是“雨淋沉降”:溶於水的化合物可以透過降水從大氣中去除。 這種現象是酸雨的原因。 排放到對流層中最豐富的 CFCs 是 CFC 11 和 CFC 12。 這些 CFCs 不溶於水,因此沉降不會將它們從空氣中去除。”


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“從對流層中去除化合物的唯一另一種機制是與豐富的氧化劑反應——例如羥基自由基、臭氧或硝酸根自由基。 大氣研究人員已經確定了幾種 CFCs 與羥基自由基反應的速率; 這些 CFCs 相對於羥基自由基的壽命約為 80 年。 換句話說,如果羥基自由基是唯一與 CFCs 反應的東西,那麼需要 80 年才能將它們從大氣中完全去除。 這是一段很長的時間! 相比之下,甲醇(某些替代燃料的成分)相對於羥基自由基反應的壽命僅為 17 天。 臭氧和硝酸根自由基在分解 CFCs 方面效率更低。”

“由於 CFCs 在低層大氣中壽命很長,因此它們有足夠的時間和機會充分混合並最終到達平流層。”

加州大學爾灣分校的 F. Sherwood Rowland 因其在大氣化學方面的工作而獲得諾貝爾獎,他回答說

“這確實是一個長期存在的問題——以至於世界氣象組織最近題為《1994 年臭氧損耗科學評估》的報告將其列入了一系列常見問題,這些問題一直被提出且早已得到解答。 美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 博爾德航空實驗室的 Susan Solomon 和我在該檔案中被列為臭氧常見問題協調員。 我們最初有 22 個問題之多,但後來精簡為最常被問到的問題。”

“對這個特定問題的回答如下。”


氯氟烴 (CFCs) 如何才能到達平流層,如果
它們
比空氣重?


儘管 CFC 分子確實比空氣重幾倍,
但來自氣球、飛機和
衛星的數千次測量表明 CFCs 實際上存在於
平流層中。 大氣不是靜止的。 風將大氣混合到
遠高於平流層頂端的高度,速度比分子
根據其重量沉降的速度快得多。 諸如 CFCs 之類的氣體不溶於
水,並且在低層大氣(約 10
公里以下)中相對不活潑,它們會迅速混合,因此到達平流層,
而與其重量無關。


測量的濃度隨高度的變化中,可以瞭解到很多關於化合物在大氣中的命運的資訊。 例如,兩種氣體,
四氟化碳 (CF4,主要作為副產品生產
鋁的製造)和 CFC-11 (CCl3F,用於
各種人類活動)都比空氣重得多。 碳
四氟化碳在低層大氣 99.9% 的部分中完全不活潑,
測量表明它幾乎均勻分佈在
整個大氣層中,如圖所示。 過去二十年中,也有
對幾種其他完全
不活潑的氣體進行了測量,一種比空氣輕(氖),一些比空氣重
(氬、氪),測量表明它們也向上均勻地混合穿過
平流層,而與其重量無關,正如在四氟化碳中觀察到的那樣。
CFC-11 在低層大氣(約 15
公里以下)中也不活潑,並且在那裡也類似地均勻混合,如圖所示。 CFC-11 的丰度
隨著氣體到達更高的高度而降低,在那裡它被分解
被高能太陽紫外線輻射分解。 從這種分解中釋放出的氯
來自 CFC-11 和其他 CFCs 的分解產生的氯在平流層中停留數年,
在那裡它會破壞數千個臭氧分子。

“1975 年,科羅拉多州博爾德的兩個研究小組首次描述了對平流層中 CFC-11 的測量,此後也無數次觀察到類似情況。 1980 年左右,從氣球以及此後的多次測量中報告了 CF4 隨高度的均勻混合情況,1985 年,從挑戰者號太空梭(1986 年爆炸)上的紅外儀器也報告了這種情況。 我自己的研究小組在數百個在 NASA DC-8 飛機上飛行時填充的空氣罐中測量了 CFC-11。 我們曾經在北極正上方進行過一次下降,發現低層大氣中混合均勻,而平流層中的 CFC-11 略少。”

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