天空之战

于鹏翔

每一天，我们从明媚的阳光中醒来，呼吸着新鲜的空气。我们知道：美好的一天又要开始了。但你可能不知道的是，从每天第一缕阳光照射地球开始，在我们的头顶上方，一场决定地球生命存亡的战斗也随即展开。而战斗的双方就是阳光中的高能紫外线和地球大气层中保卫我们的臭氧。

氧气的“好兄弟”

阳光给予了万物生长的能量。但是我们能见到的“可见光”只是阳光的一部分，在我们见不到的那部分阳光中，有比可见光波长更长的红外线，也有比可见光波长更短的紫外线。我们知道，波长越短，光波的能量越高。一般的紫外线对人类是有益的，比如它有利于人体的骨骼健康。但是那些能量极高的紫外线却有着截然不同的特性：它们像肆意燃烧的火焰，会破坏所遇到的一切生命。具体说来，高能紫外线会破坏人体的免疫系统、生命细胞和遗传物质等，甚至让整个地球生态系统陷入危机。

这些高能紫外线时刻照射着地球，而阻止它们摧残地球生命的就是我们今天的主角——臭氧。说起臭氧，大家可能有点儿陌生。但是它的“兄弟”你一定很熟悉，那就是大名鼎鼎的“氧气”。

从1772年瑞典化学家舍勒发现氧气到1777年“现代化学之父”拉瓦锡为它命名，人们逐渐认识到这种无色无味的气体对于生命的重要作用。在此期间，德国工厂的工人在使用放电机时发现：放电机在放电时会产生一种奇怪的味道。当时的人们还不知道这种味道奇怪的气体和氧气有着千丝万缕的联系，但已有人对这种淡蓝色气体产生了兴趣。

德国科学家哈特利将臭氧的颜色形容为“和晴朗天空一样蓝”。随后，他还发现了臭氧与氧气的关系：它们都是由氧原子组成。只不过构成氧气分子的是两个氧原子，而构成臭氧分子的則是三个氧原子。臭氧是氧气的同素异形体，也就是由同种元素不同结构组成的意思。臭氧那多出来的一个氧原子就赋予了它特殊的使命。当然，哈特利还不知道这些，但是他发现了臭氧的特殊能力。

臭氧的“武力值”

在哈特利生活的那个时代，人们已经知道阳光是由不同波段的光线组成的。可见光能够被人类用肉眼观测到，红外线和紫外线能够被仪器捕获。但是问题来了：在仪器中，可见光、红外线、一部分紫外线都可以清晰地呈现，但是一部分高能紫外线却不见踪影。它们明明是阳光的一部分，却根本无法在地面被观测到。这是怎么回事呢？哈特利猜测是臭氧将这种高能紫外线拦截了！他用全波段的紫外线照射臭氧，果然，臭氧将那些具有破坏力的高能紫外线截断了。

后来的大气研究为我们揭示了更多关于臭氧的秘密：它们分布在20 000米以上的高空中，形成了包裹地球的臭氧层。在那里，氧气分子受到太阳辐射分解成氧原子，单个氧原子与周围的氧气分子结合，就形成了有三个氧原子的臭氧分子。但是这种结合并不稳定，每当臭氧分子与那些高能紫外线相遇时，就会射出一个自由的氧原子，臭氧变回氧气。在这个过程中，紫外线会被消耗掉，而那个自由的氧原子再与别的氧气分子结合，形成新的臭氧分子，虎视眈眈地等待下一次与高能紫外线的相遇。就在我们头顶上方的天空中，这样的战斗日复一日。我们就生活在臭氧为我们营造的安全环境中。

氧气与臭氧的相互转化过程

臭氧层破洞

一万年中，这种势均力敌的天空之战持续上演。但是在工业文明飞速发展的20世纪初，人类的一项发明却打破了战争中的平衡。臭氧遭受了来自人类的重大打击，差点儿灰飞烟灭。当时，电冰箱、空调等可以制冷的工业产品在一些发达地区已经被广泛使用。这些设备的制冷原理基本上是通过内部物质的状态转变来调节温度的。这些物质被叫作“冷媒”。

一开始人们找到的冷媒都含有一些有毒物质。后来，发明家米基利通过实验，发现了一种无毒无害又能高效带走热量的物质——氟（fú）利昂。随后，人们又制造出很多与“氟利昂”类似的化学物质，它们被合称为“氯氟烃（tīng）”。“氯氟烃”这种物质被发明出来后，因其稳定、无毒的特性而被广泛应用在制冷、农业、家具制造等诸多领域。但人们不知道的是，这些本来用于方便人们生活的物质会在天空中变成可怕的臭氧杀手。

几十年后，在一次对雾霾的追踪研究中，人们发现了氯氟烃的痕迹。一开始，大家并没有注意到这种人造物质。毕竟它无毒又稳定，看上去人畜无害。但很快，人们便发现了问题：正是因为氯氟烃的稳定性，它可以在空气中留存很长时间，并且随大气运动，最终到达臭氧层的高度。在这个高度上，没有了云雾的干扰，氯氟烃直接与高能紫外线接触，氯元素就从氯氟烃中分离出来。这些游荡在大气中的氯元素一旦遇到臭氧分子就会掠夺它的氧原子，形成氯和氧的化合物。当这种化合物遇到下一个臭氧分子时，又会扯掉其中的一个氧原子，形成新的氧气分子。此时，氯原子重获自由，再去袭击其他臭氧分子，重复这个过程。在臭氧层中，氯原子无法无天，一个氯原子可以破坏十万个臭氧分子。而臭氧对这一切都无能为力。当时的科学家估计：若这一情况无法尽快改善，到了2050年，地球臭氧层的体积将减少30%，最终全部消失。

1977年，人们通过卫星观察到南极上空的臭氧层在春夏季节有骤减的趋势，而且这种情况逐年恶化。这就是赫赫有名的“臭氧层空洞”。1985年，人们甚至发现南极的臭氧层厚度减少了70%，最严重时，空洞面积已经超过整片南极大陆。原本人们以为臭氧层空洞只会发生在南极，因为寒冷的天气会让高空云层在南极上空聚集，氯氟烃类物质会在云层表面发生化学反应，侵蚀臭氧层。而北极由于温度变化更大，通常不会出现这样的臭氧层损耗。可不幸的是，近些年北极上空也出现了臭氧层空洞，而且2020年由于强劲的西风环绕北极，将冷空气困在了极地涡旋中，寒冷的天气促使高空云层形成，导致臭氧层空洞比往年更严重。那为什么南北极的臭氧层空洞多发生在春夏季节呢？这是因为氯元素就像定时炸弹，当春天来临时，阳光中的紫外线就成了引爆炸弹的引信。

臭氧层空洞的真相一下子惊醒了所有人，各国迅速行动起来。1987年9月，联合国邀请一些国家签署了著名的《蒙特利尔协定书》，大家通过约定立即着手减少氯氟烃等破坏臭氧层的物质的生产与使用。随着研究的深入，越来越多的物质被列为受控物质。

南极臭氧层空洞的变化

虽然，各国已经开始着手解决臭氧层空洞的问题，但之前排放到大气中的氯氟烃还需要很长时间才能完全降解。人们检测到的臭氧层空洞在逐渐减少，但是依然不稳定，甚至在2006年还达到过历史上的最大值。不过，人类做出的努力并没有白费，对臭氧层的检测和研究受到各国的重视，替代氯氟烃等物质的安全产品也在不断出现。预计到21世纪末，臭氧层会恢复如初。

在天是佛，在地是魔

讲到这里，你一定觉得臭氧是保卫地球家园的大功臣。没错，处于高层大气中的臭氧的确功不可没。但如果它降到我们身边的低层大气中，危险也会随之降临。

随着工业的发展，现在的近地面對流层中也出现了臭氧的身影。不过，这种臭氧可是“坏分子”，因为它们主要是各类工业污染物、机动车排放的污染物等在高温、日照下发生光化学反应后产生的“二次污染物”。

不过也不是我们身边的所有臭氧都是“坏分子”，比如雷雨过后，空气中就会有微量臭氧，它们本身淡淡的腥味会使人感到雨后的空气特别清新。只不过这样的臭氧浓度不能太高，因为一旦臭氧浓度过高，就会产生呛鼻的味道，而且当臭氧浓度超标2倍时，人会出现头疼、呼吸器官局部麻痹等症状，若人长时间接触高浓度臭氧，还会引起永久性心脏问题。

所以，有句话用来形容臭氧再恰当不过了，那就是“在天是佛，在地是魔”！

臭氧层跌宕起伏的经历其实只是我们地球维持生命繁衍的一个缩影。地球为了保护我们的生命，不仅要与宇宙中的各种有害射线做斗争，还要为人类活动带来的污染埋单。幸好，随着人们对环境越来越多的关注，地球不再孤军奋战。相信在大家的共同努力下，我们与地球都会有一个可持续发展的未来。