地球上的臭氧是怎么形成的？

一、大气成分

大气圈与地球上的一切生命都息息相关。大气成分在地气辐射收支中起着重要作用，大气成分的变化是引起地球系统全球变化的重要因素。低层大气由多种气体和悬浮着的固态、液态粒子混合组成。

1.干洁空气

不包含水汽和固态、液态粒子的混合气体，称“干洁空气”。它的主要成分是氮(N₂)、氧(O₂)、氩(Ar)。其中，氮气和氧气约占整个大气总体积的99％以上，加上氩(Ar)，三者约占99.96％。

此外，干洁空气中还含有少量的二氧化碳、臭氧和氢、氖、氦、氪、氙等稀有气体，含量极少，仅占0.04％，是干洁空气的微量成分。由于大气中存在着垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同地区的空气得以交换和混合，因而从地面到90km高处，干洁空气主要成分的比例基本上保持不变。故可以把它当成分子量为28.97的“单一成分”气体来处理。其密度在标准状况下为1.293×10^－3g/cm³。但从80km往上由于太阳紫外线的照射，N₂和O₂已有不同程度的离解，在100km以上氧分子几乎全部离解为氧原子，250km以上N₂也基本上离解了。干洁空气中各组成成分的变化主要与它们在大气中平均滞留期的长短有关(见表7-1)。

表7-1　干洁空气的主要成分及含量

干洁空气中以氮、氧、二氧化碳和臭氧为最重要。

(1)氮气。氮气主要来自地球形成过程中的火山喷发。氮具有化学惰性，在水中的溶解度很低，因此，大部分保留在大气中。大气中的氮能冲淡氧，使氧不致太浓，氧化作用不致过于激烈。氮是生命体的基础。闪电能把大气中氮和氧结合成一氧化氮，然后被雨水冲洗进入土壤。氮还可以作为化肥原料被地表豆科植物的根瘤菌所吸收，固定到土壤中，被直接改造为植物易吸收的化合物，是植物体内不可缺少的养料。小部分氮进入地壳的硝酸盐中。

(2)氧气。氧气来自水的离解和光化学反应，以及植物的呼吸作用。大气中的氧，是地表一切生命所必须的气体。这是因为动、植物都要进行呼吸作用，都要在氧化作用中得到维持生命的热能。此外，一切有机物的燃烧、腐败和分解都依赖于氧，故氧被称为“有生命的气体”。

(3)二氧化碳。二氧化碳是无色、无臭、有酸味，密度约为空气1.5倍的气体。主要来源于大气底层的火山喷发、燃料燃烧、动植物呼吸及人类的活动等，它集中分布于大气底部20km的薄层。二氧化碳在大气中含量极少，仅占空气容积的0.02％到0.05％，其含量不定，随时间、空间而变化。一般是底层多高层少，冬季多夏季少，夜间多白天少，阴天多晴天少，城市多乡村少。CO₂含量的变化主要是燃烧煤、石油、天然气等燃料引起的，火山爆发及从碳酸盐矿物、浅地层里释放CO₂是次要原因。因此，随着工业的发展及世界人口的增长，全球大气中CO₂含量也逐年增加。

大气中的二氧化碳是植物光合作用不可缺少的原料，同时也是红外辐射的吸收剂，能透过太阳短波辐射而强烈吸收和放射地面与大气间的长波辐射，对大气和地表有一定的增温保温作用，形成温室效应，这种温室效应在CO₂浓度不断增加时，可能会改变大气中的热平衡，导致大气低层和地面的平均温度上升，从而引起气候变化。当CO₂含量达到0.2％～0.5％时，则对生物体有害。近几十年来，二氧化碳的温室效应及其对当代气候的影响，已引起人们的高度重视。

(4)臭氧。臭氧(O₃)是大气重要的可变成分和微量成分之一，为无色但有特殊臭味的气体。它主要是由于氧分子在太阳辐射下，通过光化学作用，分解为氧原子后再与另外的氧分子结合而形成的。臭氧主要来源于低层大气有机物的氧化和雷电作用，以及高层大气太阳紫外线作用。臭氧在低层大气中含量极低，随高度增加，太阳紫外线逐渐加强使高层大气臭氧含量明显增多，并在20～25km达极大值后又逐渐减少，在55～60km附近臭氧含量已趋于零，因此通常将集中了地球上约90％臭氧的10～50km大气层称为臭氧层。臭氧能强烈地吸收太阳紫外辐射(几乎能吸收0.2～0.3μm波段的全部太阳紫外辐射)，使大气温度升高，成为加热大气温度的热源，影响大气层中温度的垂直分布规律，保护地球上的生物免遭过多紫外线的伤害。而少量穿透臭氧层的紫外线对人类和大部分地表生物则是有益的，故平流层臭氧常被称为地面生物的“保护神”。

臭氧具有极强的氧化能力，在对流层大气化学过程中起着重要作用，当其浓度增高时，会诱发人类许多疾病，如皮肤癌、白内障、抑制人体免疫系统等。有研究指出，从1765年起对流层臭氧一直在增加，平流层臭氧一直在减少，而且这种趋势将一直持续下去。自20世纪80年代初期以后，平流层中臭氧量的减少更加急剧。其中，南极减少得最为突出，在南极中心附近形成了“南极臭氧空洞”。随着人类活动的加剧，进入平流层的一些污染物，如喷气式飞机排放的废气和用做冷冻剂和除臭剂的氟利昂等，都能与臭氧结合，有可能使臭氧浓度降低，导致较多的紫外辐射到达地面而危害地球上的生物。

南极臭氧空洞指的是南极春天(每年10月)，南极大陆上空气柱臭氧总量急剧下降，形成一个面积与极地涡漩相当的气柱臭氧总量很低的地区。臭氧洞有两层含义：一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总量逐渐增加，在南极环极涡漩外围形成臭氧含量极大值，进入环极涡漩后，气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成低值区；二是从时间角度看，9月到10月南极地区气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷。10月份南极的臭氧均值已从1979年的290减少到1985年的170左右，南极上空的臭氧层已极其稀薄，与周围大气相比，好像形成了一个“洞”。美国宇航局和国家海洋与大气管理局于1998年10月发表的报告说，1998年南极洲上空臭氧洞的面积已达2.72×10⁷km²，比整个北美洲面积还要大，臭氧空洞异常之深，已切入平流层几乎达到24km，其中心部分已无臭氧可言。

南极臭氧空洞的形成及变化的原因，是一个十分有争议的课题，至少在目前还无法完全弄清楚。比较有影响的推测有四种：与太阳活动周期有关，与当地天气动力学过程有关，与火山活动有关以及与人类活动产生的氯化物进入大气层有关。

2.水汽

大气中的水汽主要来自江、河、湖、海及潮湿物体表面、动植物表面水分的蒸发(蒸腾)，并借助空气的垂直运动向上输送。大气中水汽的含量极少，只占全球淡水总量的0.035％，且时空分布极不均匀，随地理纬度、海拔高度以及海陆分布的不同而异。一般随高度增加而减少，据实测，1.5～2km高度的水汽含量仅为地表一半，5km高度的水汽为地表的1/10，再往上更少。但特殊(地形)状态下水汽会随高度而增加。因此，大气中50％的水汽集中在2km以下，90％的水汽集中在5km以下的低层大气中，以夏季和低纬地区(热带沙漠地区除外)为最多。冬季北极地区一定体积的干冷空气中，水汽含量几乎为零，而湿润的赤道地区的空气中，水汽含量可达4％～5％。

大气中的水汽含量虽然不多，但它是唯一能发生相变的大气成分，在自然界具有三相变化，能产生云、雾、雨、雪、霜、霰等常见的天气现象，对天气和气候的形成与演变起着非常重要的作用。并通过水循环、以及伴随水相变化的潜热转换，把大气圈、生物圈和整个地球表面紧密地联系起来。此外，水汽及其凝结物能反射太阳辐射，吸收地面辐射并同时向周围大气和地面放出长波辐射，对地面和大气温度有一定影响。

3.气溶胶

大气中悬浮着的固态、液态微粒统称为气溶胶粒子，气溶胶粒子与气体介质一起称为气溶胶。其中的固体微粒有烟粒、盐粒、尘埃、花粉、细菌等，液体微粒有水滴、过冷水滴(指气温低于零度仍未结成冰的水)、冰晶等。它们常聚集成云、雾使大气能见度变低。气溶胶的产生，除了火山爆发、流星燃烧、森林火灾、海浪飞沫、风尘、植物花粉传播等自然原因外，更重要的是由于人类活动，如工业生产、生活燃烧以及各种交通工具排放的烟雾粉尘等。

大气中的气溶胶含量不稳定，随时间、空间和天气条件而变化，通常集中于大气的底层。集中于大气底层的固体微粒以海浪、风沙、植物贡献最大，且随海拔高度的增加而减少，一般陆地多于海洋，低空多于高空，城市多于乡村，冬季多于夏季，夜间多于白天。被空气的垂直运动和水平运动输送，成为水汽的凝结核，对云、雨、雾的形成起重要作用，对天气和气候的形成产生影响，最直接的结果是降低了大气透明度，削弱了到达地表的太阳辐射，降低大气温度；同时，也削弱了地面的长波辐射，对地面产生一定的保温作用。

4.污染气体

大气中对人和动植物产生危害的有毒、有害物质统称为大气污染物。污染气体主要来源于工业、农业、生活废弃物燃烧、交通运输业、火山爆发等废气直接向大气的排放。目前引起人们注意的污染气体已不下百余种，其中对人类危害最大的是煤粉尘、硫氧化物、氟化物、碳氧化物、氮氧化物、碳氢化合物和放射性物质等。污染气体不仅直接危及人类健康和农、林作物的正常生长，影响环境和生态，而且对天气、气候的影响也日益加剧。如粉尘烟雾可直接进入肺组织内部，通过血液传遍全身甚至致癌；二氧化硫和一氧化碳等可转化成为酸雨。在城市，特别是大城市，其污染气体的含量远远超过了天然空气中污染气体的含量。