§§§第一节“天”出了问题
臭氧层是地球的保护伞
众所周知，地球上一切生命所需的能量都来自太阳。但是，如果太阳光不受任何阻挡直接照射到地球上，那么地球上的一切生命都将不复存在。因为，太阳在普照大地的同时还要辐射各种各样的紫外线，它们对生物具有很大的杀伤力。这些紫外线辐射只占太阳总发射量的5％左右，但如果它们全部辐射到地球，那么地球上的生物将会毁灭殆尽。幸运的是，我们有阻挡它们的“盾牌”——臭氧层。
臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线，从而保护了地球上的生物免受紫外线的侵害。大气层的臭氧主要以紫外线打击双原子的氧气，把它分为两个原子，然后每个原子和没有分裂的氧合并成臭氧。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子，形成一个连续的过程——臭氧 -氧气的循环，如此而产生臭氧层。自然界中的臭氧层大多分布在离地 20～ 50千米的高空。臭氧在大气中只占百万分之一，如果把地球上平流层中所有的氧压缩到一个大气压，只有 2.5毫米厚，我们可以想象是多么薄的一层。但是，正是由于这薄薄的臭氧层的存在，才为多细胞植物和动物的生存提供了前提条件。所以，我们把臭氧层比做保护地球生物生存繁衍的“地球之盾”。臭氧层中的臭氧主要是由紫外线制造的。此外，雷电作用也产生臭氧。正因为如此，雷雨过后，人们才会感到空气清新，人们也愿意到郊外的森林、山间去呼吸大自然清新的空气，让身心来一次爽爽快快的“洗浴”，这就是臭氧的功效，所以有人说，臭氧是一种干净清爽的气体。臭氧有极强的氧化性，少量的臭氧会使人感到精神振奋；但过强的氧化性也使其具有杀伤作用。一些过敏体质的人，长时间暴露在臭氧含量超过 180微克／立方米的环境中，会出现皮肤刺痒、咳嗽及鼻炎等症状。
臭氧层除了能够吸收短波紫外线，保护地球上的人类和动植物免遭短波紫外线的伤害外，还具有为大气加热的作用。臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，从而使平流层得以存在。另外，在对流层上部和平流层底部，在这个气温很低的高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温下降的动力。因此，臭氧的高度分布及变化是极其重要的。
随着人类活动和污染的加剧，臭氧层空洞不断增多扩大，“地球之盾”已遭受到了严重的破坏。如若继续这样下去，臭氧层必然会损失殆尽，到那时人类和所有的地球生物都会在紫外线的辐射下毁灭。国化学家罗兰和穆连于首先提出来臭氧层的问题。他们认为，在对流层大气中极稳定的化学物质氯氟烃（氟利昂）被输送到平流层后，在那里分解产生的原子氯就有可能破坏臭氧层。20世纪 70年代末开始，科学家们开始每年在南极考察臭氧层。
纬度人口稠密地扩展，到达地中海的 1849年，人类首次发现臭氧。 美国南部，损耗持续的时间也在延长。 20世纪 50年代末到 70年代初发现了 人类头上的“天”被撕破了，有了个 臭氧浓度有减少的趋势。 1974年，美队员伐曼把往年使用的老仪器放在了一块空旷的雪地上。他环顾四周没有发现什么新情况，于是，扭动仪器开关进行观测。刚刚开始工作，仪器就像发疯似的“嘀、嘀”地叫个不停。这种声音不曾有过。伐曼马上意识到：可能有以往没有观测到的光线穿过了大气层。从波段看，它属于臭氧所吸收的部分。
关机后再开机进行观测，仪器仍然发出那种响声。伐曼坚信，这是新的发现。他提着仪器，疾步跑回驻地，和同事们一起分享了这个新发现。通过对观测数据的仔细分析、计算，他们推断：与上次观测时相比，南极上空臭氧减少了20％。
对于这个结论，伐曼和他的同事们感觉多少有些拿捏不准，还需要等一等，最好是再进行一次重复性观测，以期验证。
1984年 10月，英国南极科学考察队带上新仪器，再次登临南极大陆。其主要目的就是确认 1982年的观测结果。利用新的仪器，他们依然检测到了本来应该由臭氧吸收的光线。利用观测数据，他们进行了反复的计算。根据计算结果，他们推断：臭氧层中的臭氧减少了不止 20％，而在 30％以上。
1984年底，伐曼把他们的论文寄给了《自然》杂志。1985年 5月16日，这家杂志刊登了他们的论文。于是，他们的这个最新的、重大的发现传播到了全世界。
1986年，美国的一支南极科学探险队对臭氧层空洞进行了考察。他们的结论是：臭氧层空洞还在不断扩大。
1987年 10月，南极上空的臭氧浓度下降到了 1957～ 1978年间的一半，臭氧空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％，臭氧空洞的面积也在不断扩大。1994年 10月观测到臭氧空洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空。
1995年观测到的臭氧空洞的天数是 77天，到 1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏，臭氧空洞发生天数增加到 80天。1997年以来，科学家进一步观测到臭氧空洞发生的时间也在提前，1998年臭氧空洞的持续时间超过 100天，是南极臭氧空洞发现以来的最长纪录，而且臭氧空洞的面积比 1997年增大约 15％，几乎可以相当 3个澳大利亚的面积。
2000年，南极臭氧层空洞的面积达到了 2800万平方千米。美国国家宇航局发布了当时的臭氧层空洞图片，从图片上可以看到，臭氧空洞像一个大的蓝水滴，完全罩在南极的上空，并延伸到南美的南端。
2000年以后，南极臭氧层空洞出现减小与扩大交替的情况。其中，2003年的南极臭氧层空洞又一次达到了 2800万平方千米的面积。2007年的 2500万平方千米和 2008年的 2700万平方千米的臭氧层空洞面积，也都表明臭氧层空洞面积处于一个较高的水平。南极上空的臭氧层是在 20亿年的漫长岁月中形成的，可是仅在 1个世纪里就被破坏了60％。
目前，不仅在南极，在北极上空也出现了臭氧减少的现象，美、日、英、俄等国家联合观测发现，北极上空臭氧层也减少了 20％，已形成了面积约为南极臭氧空洞 1/3的北极臭氧空洞。
在被称为是世界上“第三极”的青藏高原，我国大气物理及气象学者的观测也发现，青藏高原上空的臭氧也正在以每 10年 2.7％的速度减少，已经成为大气层中的第三个臭氧空洞。
在距离地球表面 15～25千米处，聚集了大气中 90%的臭氧，我们将这一层高浓度的臭氧称为“臭氧层”。臭氧对太阳的紫外线辐射有很强的吸收作用，能有效地阻挡对地表生物有伤害作用的短波紫外线。然而现在臭氧层破坏正日益严重。
大气臭氧层的耗损会使到达地球表面的太阳紫外辐射相应增加，对于某一地区而言，这种增加会表现在两个方面。其一是地面能接收到的紫外辐射的最短波长会向短波方向移动，即有更短波长的紫外辐射会到达地面。这就是说，如果在正常情况下，由于大气臭氧层的吸收，某地区到达地球表面的最短波长为 290纳米，那么，在臭氧层受到耗损的情况下，这个地区可能会接收到波长比 290纳米更短的太阳紫外辐射。另一方面，是当大气中臭氧浓度减小时，原来到达地球表面的太阳紫外辐射量会有不同程度的增加。总之，到达地面的太阳紫外辐射量的增加主要表现在紫外 B区（UV-B，280～ 320纳米）和紫外A区（UV-A，320～ 400纳米）。这就是说，臭氧层耗损主要是使得哈特莱吸收带和霍根斯吸收带吸收的紫外辐射量减少而最终导致到达地面的紫外辐射增加。应当指出，在正常情况下，适量的紫外辐射，尤其是 UV-B辐射对人体是有益的，是人维持生命所必需的，它能够增加人的交感肾上腺机能，提高免疫能力，促进磷钙代谢，增强人体对污染物的抵御能力，这就是为什么人体，尤其是婴幼儿，在成长过程中需要接收紫外线照射的原因。
从对人体健康影响的角度来讲，毒理学研究显示，太阳紫外辐射中，对人体最有害的是紫外 C（UV-C，180～ 280纳米），它主要是破坏人体细胞中的 DNA（脱氧核糖核酸，一种遗传物质）。值得庆幸的是，由于大气臭氧层哈特莱吸收带的强烈吸收，使得 UV-C辐射不能穿透大气到达地面。因而 UV-B是能够到达地球表面的对生理危害最大的紫外辐射，它对人体 DNA的破坏虽然比 UV-C小得多，但仍可对人体造成严重危害，而且随着 UV-B辐射量的增加，这种危害也就越大。相对而言，UV-A辐射的增加对人体的危害要比 UV-B小得多，这就是人们在讨论臭氧层破坏时，尤其关心 UV-B辐射变化的真正原因。
应当指出过量紫外辐射对人体健康的影响是一个很复杂的问题，由于缺乏资料，作出定量估计是很困难的。有些估计是基于对动物的某些实验结果，对人体而言，尚有很多是未知的。过量紫外辐射对人体健康的影响主要表现在以下几个方面。
1.免疫系统的降低
人体的免疫系统是防御外来抗原性物质的主要卫士，它有一个良好的组织网、非特定防御性细胞（巨噬细胞和杀手细胞）和运动着的防御性细胞（起着巡逻兵的作用）等组成。通过复杂而微妙的平衡机制，免疫系统像看护神一样维持着人体的健康，保护着主体免受各种疾病的侵害。人体的免疫反应主要有两大类，它们是体液免疫和细胞免疫。前者包括产生抗体，这些抗体可以使侵入人体的毒素失效，有杀死微生物、防止感染之功效；后者是通过细胞产生化学媒体，从而激活其他淋巴系统的细胞去杀死病原体、病毒感染细胞和癌细胞等。在正常情况下，这两种反应巧妙地平衡着。任何原因的失衡都会使人体的免疫功能受到干扰。研究表明，过量UV-B辐射可以局部地（暴晒处）和系统地改变人体的免疫系统，而且这种改变主要是通过减少细胞的免疫反应造成的。人的皮肤是一个重要的免疫器官，是有着高度免疫的活性组织，但它对环境条件（包括 UV-B辐射）的改变是脆弱的，使皮肤不适当地暴露于 UV-B辐射之中会使人体的免疫力受到扰乱，从而引发疾病。通常，夏天在人们脸上由疱状单形病毒所引起的不断增多的面部损伤，就反映了过量太阳紫外辐射对皮肤免疫活性的影响。
到目前为止，对由于 UV-B辐射引起的人体免疫系统紊乱而发生的各种疾病还缺乏系统证据，然而在人体局部和老鼠身上所进行的相关实验显示，UV-B辐射可以抑制皮肤的接触性过敏，减少免疫活跃的细胞（如胰岛细胞等）的数量和功能，刺激对免疫有抑制作用的某些抑制细胞的产生，改变在血液中循环的有免疫性的白细胞外形，等等。这些与人体免疫有关的细胞的数目和功能的变化依赖于 UV-B辐射的暴晒量。不仅如此，UV-B辐射还会引起更广泛的免疫抑制，这对人的身体健康有着潜在的意义。过量紫外线照射会引起感染性疾病的蔓延，如一些肺结核、麻风病和黑热病（一种在热带和亚热带国家很常见的皮肤病）等流行。统计资料显示，由于细菌、真菌、病毒和原生动物引起的感染性疾病都因过量紫外线照射使免疫系统受到抑制而呈增加趋势。联合国环境规划署甚至已发出警告，指出过量紫外辐射使免疫力受到抑制会增加艾滋病的发病率。人体的免疫系统也是身体抵御癌症的一部分。在老鼠身上的实验表明，UV-B辐射照射对其免疫系统的抑制，使其对抵御癌症的能力大大降低。这就是说，除了直接引起皮肤癌以外，由于UV-B辐射造成的人体免疫系统的抑制可能会对人体造成多方面的影响，甚至会发生一般情况下被“防御卫士”挡在体外其他类型的癌症。
2.对眼睛的损伤
很多人都知道，过量紫外辐射会对人的眼睛造成危害，最典型的例子就是雪盲和焊工眼，这两种眼疾都是光照性角膜结膜炎，即眼球表面的一种炎症（发红）。在一般情况下，太阳紫外辐射会被眼睛的角膜（在眼睛瞳孔外面的一层透明膜）和晶状体过滤掉绝大部分，只有很少量的紫外辐射能到达眼睛的视网膜上（位于眼室后部、眼球内表面上的光感神经末梢膜），过量的紫外辐射会使眼睛的角膜和晶状体受到损伤，使更多的紫外辐射达到视网膜上，进而导致视网膜退化，使视力受到损害。研究表明，长期对紫外辐射的过滤会使本来透明的角膜和晶状体变色而失去透明性。
流行病学资料显示，过量紫外辐射是导致白内障眼疾（眼中晶状体混浊）的重要原因。尽管引起白内障的原因很多，但是日光暴射与眼疾的病例分析和白内障眼疾的地理分布等资料均显示出过量紫外辐射使白内障的发病率明显增高。对兔子和老鼠的实验表明，每日用 UV-B辐射，1个月时间就会使晶状体的前部受到破坏，而造成晶状体的混浊。在医学上，白内障主要分为两大类型：其一为核型白内障，即发生在晶状体的正中间（瞳孔后面）；其二是发生在晶状体周围的皮质白内障。前者会导致眼睛失明，后者则不会致盲。有调查表明，核型白内障的发生率随着地理纬度的下降而上升。白内障眼疾主要发生在老年人中，全世界 2500～ 3500万例老年失明病例中约有一半以上是由白内障引起的，这些病例主要发生在阳光充足的地区和热带地区。美国环境保护署估计，UV-B辐射增加1%，会使白内障的发病率增加 4%～ 6%。联合国环境规划署预计，平流层臭氧耗损 10%会引起全世界每年白内障患者增加 175万。也有学者估计，大气中臭氧每减少 1%，就会使白内障患者增加 0.5%，等等。当然，这些定量的估计具有很大的不确定性，需要有进一步的实验资料和流行病资料的支持，但是过量紫外辐射会导致相应的眼疾发病率增加是毫无疑问的。
3.对皮肤的损伤
人们从自己的生活实践中似乎已经感受到，过量紫外辐射会造成对皮肤的损伤。实际上，过量紫外线的照射会对人的皮肤产生短期和长期的危害效果。典型的短期伤害就是人们熟知的晒斑，这是皮肤短期暴露于强太阳辐射后出现的皮肤伤害现象，皮肤遭受强紫外线的长期照射会变厚、产生皱纹、失去弹性并有可能得皮肤癌。动物实验资料和流行病统计研究资料显示，过量 UV-B辐射与人体皮肤癌的发病率有密切关系，其中与鳞状细胞癌和黑瘤的发病率已有比较清晰的关系。
鳞状细胞癌属非黑瘤皮肤癌，绝大部分病例显示，鳞状细胞癌通常出现在长期被阳光照射的人体部位，如脸部、脖子和手部等。同时，鳞状细胞癌的高发病率出现在太阳辐射较强的地区，这些都是对鳞状细胞癌发病率与太阳紫外辐射有关的证据。一些研究结果显示，与过量紫外辐射降低人体免疫系统不一样，紫外辐射引起的皮肤癌对不同肤色有着很大差别，鳞状细胞癌主要发生在肤色白皙的人群中。
除了非黑瘤皮肤癌之外，人们发现与太阳照射有关的还有皮肤黑瘤，黑瘤是黑素细胞（哺乳动物表皮中的色素生产细胞）转变成瘤的结果。医学界认为，人类的黑瘤有四大类，即表面扩展黑瘤、结状黑瘤、恶性小痣黑瘤（也称郝泰生氏黑变性雀斑）和其他黑瘤。人们对过量太阳辐射引起黑瘤的认识首先是从对不同人群日常生活的观察开始。人们发现，白皮肤人群对日灼更敏感，在这些人的皮肤上出现雀斑、黑痣等反应的概率要比有色人群高。
长期以来，人们试图寻求可能导致人体产生皮肤癌的紫外辐射剂量，从而进一步估计臭氧层耗损对皮肤的危害。致癌辐射剂量的增加通常用辐射放大因子（RAF）来表示，一些研究结果表明，RAF变化于 1.2%～ 1.4%之间，这就是说，大气中的臭氧每减少 1%可使引起皮肤癌的紫外辐射增加 1.2%～ 1.4%。由于紫外辐射剂量与皮肤癌发病率的关系受肤色的影响，因此需要对不同地区和不同太阳照射下的不同肤色人群进行跟踪研究，其结果显示，致癌辐射剂量每增加 1%，对于白肤色人群来讲可使鳞状细胞癌的发病率增加 2.5%左右，这就意味着，大气中的臭氧每减少1%，可使鳞状细胞癌的发病率增加3%左右。医学工作者提醒人们有两方面的问题需要注意，其一是人体患黑瘤皮肤癌，尤其是鳞状细胞癌的危险性依赖于整个生命过程中人体接收到的太阳紫外辐射的总剂量；其二是与紫外线照射相联系的皮肤癌发病率有时间上的滞后性。这就是说，即使是到达地面的太阳紫外辐射量恢复到正常水平（臭氧耗损得到有效抑制），皮肤癌的发病率也将在一定的时间内保持增长态势。
4.其他疾病
前面已提到过，由于过量紫外辐射可以导致人体局部的或系统的免疫能力的改变，因此，人们推断，其结果也会对某些传染病和其他疾病的发生率产生影响。从理论上讲，过量的UV-B辐射可通过改变主体对微生物病原体的抵御机制或通过直接激活被照皮肤中已感染组织来影响传染病的发病机制。为此，科学家们进行了大量的动物实验并建立了相应的实验模型。这些实验包括病毒疾病、UV激活病毒、寄生虫传染、细菌传染、真菌传染以及其他疾病等。
（1）病毒疾病。UV-B辐射可以激活人体中单纯疱疹病毒感染的能力，从而可激发人体中有活力的疾病，使人体对感染疾病的抵御力下降，其中包括降低对呼吸道和肠道病毒的细胞免疫力，最终导致疾病的发生或加快某些已感染疾病的过程。
（2）UV激活疾病。UV辐射能激活那些直接受到照射的细胞中的病毒，这一作用会直接影响到皮肤细胞中的病毒，如乳状瘤病毒、单纯疱疹病毒等。一些研究结果还指出，当病毒在皮肤中存在时，会使一些早期病人，包括艾滋病病人的病情加重。
（3）寄生虫传染。老鼠实验和鼠模型显示，UV-B辐射对免疫能力的抑制已对利什曼病（一种热带寄生虫病）、疟疾和旋毛虫病等的发病率产生了影响。利什曼是在热带地区经常看到的寄生虫病，这种寄生虫通常是被已感染的沙蝇传入人的真皮内而引发溃疡，损伤皮肤，严重的会发展成致命的系统性疾病。UV-B辐射会人类在大气层的底部生存、繁衍，因此，近地层的大气环境，尤其是空气质量对人类的生产和生活活动，乃至生存本身都有着重要影响。大气臭氧层破坏的直接后果是导致到达地球表面的太阳紫外辐射量增加。我们将主要介绍由于太阳紫外辐射增加所造成的近地层大气空气质量的变化。一般来讲，太阳紫外辐射量的增加会引增加这些疾病的发病率或使已感染者的死亡率增加。
（4）细菌传染。UV-B辐射使鼠体中分支杆菌感染的免疫力降低，使延迟过敏响应减小，使从淋巴组织中排除细菌的过程减缓，从而加大分枝杆菌引起的死亡率。
（5）真菌传染。UV-B辐射引发真菌感染的典型实验是向经过暴晒的鼠体中注射白色念珠菌，其结果是加速了鼠体的感染和死亡率。念珠菌是一种致病性真菌，通常存在于皮肤中可引发系统性疾病。
起大气环境的恶化，这种恶化通常是通过影响对流层化学过程，改变对流层组成以及直接诱发一些空气污染事件造成的。
1.影响对流层的化学过程
太阳紫外辐射增加对大气低层化学过程的影响主要是使化学反应中关键微量气体的光解速率提高，从而加速低层大气中臭氧等氧化剂的生成和破坏进程，从而进一步影响其他化学过程的进程。
在对流层中，目前人们最关心的主要化学过程包括一氧化碳的氧化、二氧化硫的氧化和近地面臭氧的形成等。
（1）一氧化碳的氧化。大气中碳的氧化物主要包括一氧化碳和二氧化碳，从大气化学和对人体健康的危害程度来讲，人们关注的重点是一氧化碳。大气中的一氧化碳是一种低化学反应性无味、无色的气态毒性污染物。由于在日常生活中经常有一氧化碳中毒事件（如煤气中毒）发生，人们对它并不陌生。大气中一氧化碳的浓度在 0.05×10 -6～ 0.5×10 -6之间，但城市空气中的一氧化碳浓度较高，一般会高几十倍，个别情况下会达到 100×10 -6以上，在美国和日本都发生过因空气中一氧化碳浓度过高而使交通警察和机动车驾驶员中毒的事件。目前人们已经知道，一氧化碳在对流层中通过化学反应被氧化成二氧化碳，这一反应通常被认为是大气中一氧化碳的源和汇。但这种氧化在一般情况下进行得比较缓慢，但当太阳紫外辐射增强，大气中各类自由基浓度增加的情况下，一氧化碳会和自由基（如 OH）发生反应，加快一氧化碳的氧化过程。
（2）二氧化硫的氧化。大气中的硫化物种类很多，如硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、硫酸盐以及一些其他的有机硫化合物，其中最主要的是硫化氢、二氧化硫和硫酸盐。从大气化学和大气中硫循环的角度来讲，大气中二氧化硫的氧化是最主要的化学过程。二氧化硫是由煤炭、石油等矿物燃料燃烧排放到大气中的主要污染物。其中一部分在大气中被氧化成硫酸或硫酸盐气溶胶，由于其比重大，容易发生沉降而接近地面，特别是会聚于谷地或盆地，形成酸雾而造成污染，或者被降水吸收而形成酸雨。硫酸给大气环境造成的危害远远超过二氧化硫，所以，人们对二氧化硫氧化的机制尤为重视，并进行了许多研究。从很多结果来看，在非污染空气中，二氧化硫的含量极其少，它分别同氢氧自由基（HO）、氢过氧自由基（HO2）和云雾水滴反应。在污染空气中二氧化硫的含量较高，它与氢过氧自由基的反应是主要的。例如，大气中二氧化硫的氧化受很多因子的影响，大气的温度、湿度、日照以及很多起催化作用的因子等，都会影响二氧化硫的氧化速率。科学家们的研究结果表明，大气中二氧化硫的氧化主要通过三种途径，即气相反应、液相反应和在颗粒物表面的反应。
气相化学反应是大气中二氧化硫氧化的重要途径。这类反应中最主要的是二氧化硫与大气中自由基的反应，其结果是在大气中生成硫酸以及其他多种中间产物，这些化合物对人体健康都是很有危害的。在城市里，被污染的空气中含有较高浓度的二氧化硫，在阳光充足的夏日，二氧化硫的这种氧化过程进行得异常迅速，这一点对长期生活在城市里的居民是十分不利的。
大气中二氧化硫的液相氧化反应可通过不同途径来进行：其一是二氧化硫在水滴中被溶解的氧气所直接氧化，其二是二氧化硫在水滴中通过金属元素的催化而被氧化。这后一种情况，对于城市大气尤为严重。因为在被严重污染的城市大气中往往含有多种金属（如铁、锰等），且其浓度相对较高，在雾天尤其是这样，这就为二氧化硫的催化氧化提供了条件。因此，人们应当特别关注城市的雾天，因为这时空气中的二氧化硫会很容易被溶解成为亚硫酸，并被迅速氧化成硫酸。
二氧化硫在颗粒物表面的氧化过程，主要是指当空气中有足够浓度的二氧化硫和颗粒物时，二氧化硫往往被颗粒物所吸附，而后被氧化成硫酸盐，其氧化速率取决于颗粒物本身表面的性质及组成。科学研究结果表明，颗粒物的酸碱性对二氧化硫的氧化具有重要作用。应当指出，大气中颗粒物的物理化学特性相差很远，尤其是在被污染的城市大气中，颗粒物的组分，其中包括碳元素、金属离子等这些对二氧化硫氧化有重要影响的组分，有很大的变化。因此，对大气中二氧化硫在颗粒物表面的氧化过程还需要做进一步的研究。
（3）对流层的学化学过程。对流层中的光化学过程是对流层化学研究的重要内容，它是指太阳的紫外辐射与大气中的某些污染气体（大部是活泼烃类）相互作用引起的复杂过程。进一步研究表明，大气中的氮氧化物、碳氢化合物等，在太阳紫外辐射的作用下会发生光解反应和一系列氧化反应，生成臭氧和其他氧化物（如过氧乙酰硝酸酯 PAN和醛类等），因此，这一过程也被称为低层大气的臭氧形成化学。由于在这一化学过程中随着光化学氧化剂的生成往往伴随着颗粒物浓度的增加从而导致大气能见度降低，因此，所造成的空气污染被称为光化学烟雾污染。人们最早认识这种光化学过程是在 20世纪 40年代，当时，在美国洛杉矶由于机动车和电厂的排放所造成的严重空气污染诱发了历史上首例最严重的光化学烟雾事件（后来称为洛杉矶烟雾事件），造成了几千人伤亡。
这种氧化性的光化学过程一般是在较低的空气湿度和较高的空气温度情况下，在太阳光的作用下发生的。研究表明，引起低层大气中光化学过程增强的，主要是太阳光中波长小于370纳米的紫外辐射。由于地球上纬度高于 60°的地区太阳紫外辐射较弱，因此不易发生光化学反应。而在北纬 30°～ 50°区域范围内，由于人类活动造成的工业排放较严重，同时又有足够的太阳紫外辐射，因此是光化学过程最容易发生的地区。尤其是在夏季天气比较晴朗的日子里，当有利于大气中污染物积累的条件持续出现时，最有利于大气中各种光化学反应的进行。我国兰州地区，由于工业排放造成了大气中碳氢化合物和氮氧化物浓度的积累，加之太阳紫外辐射较强，曾多次发生光化学烟雾事件。
在上述对流层主要气体氧化过程中，UV-B辐射是关键制约因子。通常认为，大多数发生在对流层的化学反应，其速率直接取决于 UV-B的强度，而这个强度又是大气中臭氧总量的函数。由于不同反应对紫外辐射不同波长的响应不同，因此不同反应的比重也不一样。
2.改变对流层的化学组分
UV-B增强可以打破参与化学过程的主要微量气体分子（如臭氧、二氧化氮、甲醛、过氧化氢、硝酸等）中的化学链，生成化学活性的原子、自由基或分子基团，并导致其他化学过程的进程，从而改变对流层中的化学组分。
由于紫外辐射的增强，在对流层中首先发生变化的化学组分应是那些包括臭氧和其他氧化剂在内的光化学活性气体，这些气体直接参与紫外辐射作用下的光化学反应，其结果不仅导致大气中已有的某些组分浓度的变化，而且还会生成一些新的化合物或分子基团。不仅如此，一些测量结果显示，人类活动不断向大气中排放种类繁多的挥发性有机物质，在 UV-B辐射水平升高的情况下，会使对流层中的光化学过程变得更为复杂和难以预测。
大气中氧化剂浓度的增加会直接影响低层大气的空气质量，尤其在空气污染相对比较严重的城市地区，一些氧化物和自由基等有更多的机会和条件参与多种化学反应而生成多种二次污染物而使空气质量恶化。
3.严重的空气污染事件
在太阳紫外辐射增强的情况下，近地层化学组分发生变化会导致一些重大空气污染事件发生。在一般情况下，近地面大气中化学组分的变化，尤其是一些烃类、醇类等有机化合物浓度的增加会使空气受到污染，影响空气质量。而在某些极端情况下，这种空气污染会变得非常严重，并形成直接危及人们生命的严重空气污染事件。
人类排放到大气中的氮氧化物，不仅直接造成空气污染，而且在太阳紫外辐射作用下会发生复杂的光化学反应，其结果是形成严重影响空气质量的光化学烟雾。光化学烟雾是多种二次污染（如臭氧、各种醛类如甲醛、乙醛、丙烯醛等）以及硝酸雾、硫酸学烟雾的发生创造更有利的条件，进雾和悬浮颗粒物的混合物。太阳紫外而使空气质量恶化，危害大气环境的辐射是大气中形成光化学烟雾的必要安全。条件，紫外辐射的增强必然会对光化水生生态系统与陆地生态系统构成地球上的两大生态系统，二者的相互作用均衡使全球生态系统保持在正常的水平上，全球水生生态系统每年将 1000亿吨左右的碳转换成有机物质，并以鱼类、甲壳类和海藻等形式为人类提供大量的食物。人类消耗的所有蛋白质中，大约有 1/4是水生生物提供的。增强的太阳紫外辐射会对水生生物群落起到破坏作用，其主要表现为对初级生物量的影响。
1.对浮游生物的影响
浮游生物（包括微生植物和藻类等）是水体中的主要生产者，是水体生物量的初级生产者，是水体中复杂的食物链的基础。由于要进行光合作用，所以水体中的浮游生物主要生活在水体的表层，所以极容易受到太阳浮游生物在全世界各大洋中的分布是不均匀的，其浓度决定于养分、净光合速率、海面状况以及太阳 UV-B辐射等要素，其高浓度值区通常在较高的纬度地区，在温带海洋中，浮游生物的浓度在春秋季较高，夏季减少。浮游生物在全球海洋的这种分布格局，在某种程度上显示了太阳紫外辐射对其繁殖率的不利影响。在讨论紫外辐射对海洋浮游生物影响时，那些尺度极小的细菌类浮游有机体（如蓝菌、硅藻等）尤为令人关注。这些微小的有机体在海洋有机物分解和循环中起着重要作用，但这些浮游有机体由于其生存时间短或由于其活动性差，对太阳紫外辐射的抵御能力更脆弱，更容易受到伤害，而它们在水体总生物量方面的贡献却占到 40%左右。
估计紫外辐射对海洋浮游生物的定量影响是一件很困难的事，高纬地区上空大气臭氧含量的明显减少为这种估计提供了机会。一些研究人员在南极臭氧空洞期间，对洞内外到达水域的太阳紫外辐射量变化和浮游生物量变化进行了比对研究，他们的报告显示，南极臭氧洞期间，在南大洋的冰区范围内，与臭氧减少相关的浮游生物的初级生产力减少达 6%～12%。不仅如此，研究人员还发现了在臭氧洞期间，增强的太阳紫外辐射对光合作用的抑制作用（约 5%），这与某些屏蔽掉紫外辐射会使光合作用增加的实验结果是一致的。这些研究结果表明，由于大气中臭氧量减少而导致的太阳紫外辐射增加不仅会直接引起海洋浮游生物数量的减少，而且紫外辐射对浮游生物活性的抑制也会使光合作用减弱，最后导致海洋对大气中二氧化碳吸收量的减少。联合国环境规划署估计，每损失 10%的海洋浮游生物就会使海洋每年减少吸收二氧化碳 50亿吨左右，这大约相当于人类燃油每年向大气中排放的二氧化碳量。如果这一估计可靠的话，全球碳平衡状态会因此需要重新评价，结果会导致温室效应的增强和全球气候变化的加剧。可见，科学家们需要在海洋浮游生物对紫外辐射增强的响应及其生态学后果等方面做进一步的研究。
2.对海洋食物链的影响
浮游生物是水体中其他所有生物赖以生存的基础，是海洋中复杂食物链的基础。因此，浮游生物的损害、浮游生物量的减少必然会使海洋食物链更高营养级上的所有生物量减少，会使包括鱼类、贝壳类和软体类动物在内的大量次级消费者的生存受到影响，最终导致水产品总量的减少。据粗略估算，大气中的臭氧若耗损16%，会使海洋中的浮游生物损失5%，进而使水产业和水产养殖业的水产品总量减少约 7%，这相当于每年鱼的产量损失 700万吨。不仅如此，考虑到海洋中较高层次的较大消费者个体总是以较低层次的较小个体为食。因此，UV辐射对浮游生物的影响也会改变海洋食物链中较高层次的链接，导致食物链的变异。
3.对海洋生物的直接影响
紫外辐射量的增加除了通过海洋食物链变化间接影响食物链中不同层次的消费者之外，还对海洋中的鱼类、虾类、蟹类、两栖类以及其他动物的早期发育阶段产生直接的影响，其中最严重的影响是降低它们的繁殖能力和伤害它们幼体的发育。一些研究报告指出，即便是在目前紫外辐射的水平上，UV-B已经构成海洋中某些生物数量发展的限制因子。尤其是在一些中高纬地区的晚春季节，UV-B辐射的增强正好与某些物种的生长发育相吻合，紫外辐射的增加和短期波动都会使一些敏感物种的幼体发育受到威胁。
实验表明，海洋中各类无脊椎动物对 UV-B辐射的敏感性有很大的差别，UV-B辐射会杀死培植中的大部分普通桡脚类甲壳动物的个体并降低残存者的繁殖能力。在现有的 UV-B水平上，已发现有一种甲壳类的死亡达到了 50%左右。有学者估计，如果大气中的臭氧耗损达到 16%，那么会有一半左右的海洋物种在 5天之内遭受到比正常情况高出 50%的积累辐射剂量。
增强的太阳紫外辐射也会对鱼类等某些脊椎动物的幼体的生长和存活能力产生直接影响。根据 6月份北美洲太平洋沿岸大陆架地区的资料显示，大气中臭氧减少 16%，会使在海水 0.5米处，年龄为 2天、4天和 12天的鳗鱼类幼体的死亡率分别达到100%、82%和50%，这不仅是由于鳗鱼幼体的出现正处在紫外辐射的峰值期，而且由于在这一地区所有鳗鱼幼体均出现在水域上层 0.5米范围内。一些两栖类动物也会受到太阳紫外辐射的影响。一些两栖类动物直接在水域的表层产卵，卵完全暴露在太阳紫外线照射之下而使其数量减少，一般两栖类动物的蛋或卵细胞在紫外线的作用下都会有不同程度的损伤。
4.对水生环境的影响
太阳紫外辐射对水生生物的影响涉及很多的生物生理过程。水生环境的变化无疑对这些过程有着重要影响和反馈作用。海洋和大气都是开放系统，发生在大气中的一些重要物理、化学过程会直接影响到进入海洋表面的太阳紫外辐射和可见光辐射，可以影响海气之间的物质和能量交换等，进而使海洋的温度、盐分以及二氧化碳浓度等水生环境发生变化。前面已提到紫外辐射的增加除了直接对海洋生物产生影响之外，还会影响到达水面的光合有效辐射（PAR），改变水域表层的 UV-B/PAR之间的比例关系，从而影响海洋的初级生产力。
大型藻类和浮游生物都会释放出有机的气态硫化物，如硫酸二甲酯（DMS），其释放速率取决于这些生物受太阳辐射控制的代谢活动。这些DMS进入大气之后，很容易形成硫化气溶胶而成为大气中云的凝结核，进而增加大气中的云量，其结果又会减弱到达海洋表面的太阳辐射。另一方面，大气中臭氧减少导致紫外辐射增加。可见，这些正向、反馈过程的发生会造成海洋水生环境的变化和海洋生态系统的混乱。
20世纪中叶以来，随着工农业生产和社会的发展，人类向大气和河海中排放的废气、废水和废渣也大幅度增加，这些排放使大气和河海受到了严重的污染。据不完全统计，全世界每年向大气中排放的二氧化硫约1.5亿吨，氮氧化物约 0.68亿吨，一氧化碳约 1.8亿吨，颗粒物约 1亿吨。与此同时，全球每年约有 4200多亿立方米的污水排入江、河、湖、海之中，这大约相当于全球径流量的 14%左右，从而使水体遭到污染。这些污染（主要包括石油污染、热污染、放射性污染、盐污染、有毒化学物质污染等）恶化了水体生态环境，对鱼类、藻类、浮游生物造成直接危害。更值得注意的是，进入到大气和水体的这些污染物中有很多是化学性质很稳定的化合物，它们在大气和水体中的滞留时间很长，因此会产生长时间的慢性危害。其中有些污染物在太阳紫外辐射的作用下发生分解而产生其他污染物滞留在大气和水体中，这些不易分解的污染物长期积累会使水体的环境恶化，对某些水生生物的生存构成威胁。
§§§第二节“补”住天上的漏洞
氟利昂可用于空调制冷
一般认为，在人为因素中，工业上大量使用氟利昂气体是破坏臭氧层的主要原因之一。氟利昂作为氯氟烃物质中的一类，是一种化学性质非常稳定，且极难被分解、不可燃、无毒的物质。氟利昂是一种科技进步的典型产品，最初是用来做冰箱的冷冻剂，之后扩展应用于现代生活的各个领域。清洁溶剂、空调冷冻、保温材料、无毒喷雾器推动剂、发泡剂和集成电路生产中的溶剂等都使用了氟利昂。
氟利昂在使用中被排放到大气后，其稳定性决定它将长时间滞留于此达数十年至上百年。由于氟利昂不能在对流层中自然消除，只能缓慢地从对流层流向平流层，在那里被强烈的紫外线照射后分解释放出氯原子，氯原子会把臭氧还原成氧分子。一个氯原子可能会破坏掉成百上千个臭氧分子，其破坏力非常大。
据统计，目前全世界氟利昂的年使用量超过 100万吨，迄今为止向大气中排放的氟利昂总量达 2000万吨，大部分仍停留在对流层中，只有10％左右到达了平流层。由于氟利昂在世界范围的广泛使用，今后几十年中，大气层的臭氧会因此而持续减少，其后果是十分严重的。
1978年，美国科学家认识到，氟化物进入平流层后会降低臭氧的生产率。于是，美国政府从 1979年开始禁止生产、使用氟化物。当时的美国是全世界最大的氟化物生产国，1976年全世界出售的氟化物中有40％是美国生产的。加拿大、丹麦、芬兰、挪威等国相继加入这一行列，纷纷禁止使用氟化物。于是，一个禁止使用氟化物的国际组织——联合国环境保护署臭氧层保护委员会于 1979年成立。经过北美地区和欧洲共同体的努力，1982年全世界氟化物的产量比其高峰年 1972年的产量减少了21％。
目前，最早使用氟利昂的 24个发达国家已于 1985年和 1987年分别签署了限制使用氟利昂的《维也纳公约》和《蒙特利尔议定书》。1993年2月，我国政府批准了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰方案》，确定逐渐淘汰消耗臭氧层物质。
除了氟利昂外，臭氧还会与人工合成含溴的物质发生化学作用，从而造成臭氧自己的消耗。含溴化合物哈龙就是一种很典型的物质。
实际上，含有消耗臭氧层物质的产品在我们生活周围四处可见，涉及的行业包括化工生产、消防防火、汽车空调、溶剂清洗、烟草、塑料发泡、家电制冷等。我们熟悉的灭火剂中就含有哈龙。
导致大气中臭氧减少和耗竭的物质中，很重要的一种就是平流层内超音速飞机排放的大量氧化亚氮。
从 20世纪 60年代起，英国、法国、苏联和美国竞相研制超音速飞机。这场国际比赛开始时，英国、法国一时居于领先地位，他们研制出了“协和”飞机。当英国、法联合准备大量生产“协和 500”号飞机，苏联大量生产“图 144”飞机时，美国研制成功了“波音707”。当它们开始在世界上空穿梭时，国际社会第一次发出了保护臭氧层的呼吁。这场运动是由美国科学家迈克唐纳发起的。他应美国科学院的邀请，就“协和”飞机对于环境的影响进行了系统的调查和科学研究。
那时，许多人担心“协和”飞机在平流层里飞行，排放了大量水蒸气。这些水蒸气在平流层中会变成冰晶。如果那些冰晶降落到地面，会砸伤很多人。如果那些冰晶滞留在天空，大量反射太阳光，会使进入对流层的太阳能减少，这样气候会发生变化。可是，迈克唐纳 1966年发表的报告声称：“协和”飞机不会对气候产生严重的影响。
其实，他低估了问题的严重性。这些飞机在万里高空中飞行，排放了大量的废气——氮氧化物、硫化物颗粒和水蒸气。这些废物直接进入平流层，参加平流层内复杂的光化学反应，导致臭氧产量的下降。特别是氧化亚氮，对于臭氧的生成有着严重的影响。它使得大量紫外线无法用于臭氧的生成，久而久之，臭氧层就要变薄。其破坏性是显而易见的。但是，这种破坏性很难精确地测量，关于它们各自对臭氧层影响的大小也很难给出准确的数据。
可是，到了 20世纪 70年代，当“协和”飞机成为北大西洋航线的主要交通工具时，迈克唐纳根据试验研究结果，估计“协和 500”和“图 144”在飞行中排放的废气使平流层中臭氧的产量下降 4%，“波音 707”在飞行中排放的废气使平流层的臭氧产量减少 15%。同时，他还指出，臭氧层中的臭氧量每减少 1%，美国每年就要增加皮肤癌患者 5000～ 1万人。
人们正是从他的报告里才看到了“皮肤癌”与“协和”飞机之间的联系。他还指出，“波音”与“协和”“图144”之间对于臭氧层的破坏性差异如此之大是由于它们的飞行高度、耗油量不同所造成的。“协和 500”和“图144”飞行高度为 17千米左右，而“波音 707”比前两者要飞得高，多达 20千米以上。前两者的耗油量只有后者的 l/3左右。在距地面 20千米的高空，氮氧化物对于臭氧生成的影响是在距地面 17千米高空的 2倍。
在美国国会的听证会上，迈克唐纳的报告简直是一场环境保护运动的动员令，使得人们对于超音速飞机有了新的认识。从此，飞机对于臭氧层以及更大范围的环境污染成为一个重要的科学课题，争论延续至今。
突破性的工作是由加州大学的江斯登做的。他调查了低空光化学烟雾，分析了臭氧层中的氮氧化物，得出的结论是：500架“协和”飞机2年的飞行使平流层中的臭氧至少减少 10%。他把这个结果附函寄给美国商业部，指出：“大量超音速飞机是否导致环境向不利于人类健康方向发展，有待进一步研究。”1971年，他发表在《科学》杂志上的研究报告确认：破坏臭氧层的化学成分是氮化物。
1974年以后的 3年间，美国交通部组织实施了“超音速飞机环境影响评估项目”，全世界 10多个国家 1000名科学家参加，耗资 2100万美元。这个项目最后得出的结论是：500架“波音 707”每天在平流层中飞行 7～ 8小时，每使用 1千克的燃料排放 14克的氮氧化物，使北半球平流层中的臭氧减少 15%；尽管它很少飞到南半球，那里的臭氧也会受到影响，平流层中的臭氧也会减少8%。
超音速飞机是否破坏了臭氧层的争吵正在进行时，航天飞机升空了，这又引发了另一场争论，氯化物是否与臭氧洞的形成密切相关。
当时，美国宇航局认为，航天飞机排放的废气与臭氧层空洞没有直接的联系。航天飞机排泄的废气之一——氯化氢广泛扩散到平流层中。如果飞行一周，它每年排放在平流层中的氯化物大约有 5000吨。
芝加哥大学的科学家们认为，美国航宇局的认识有问题，航天飞机对臭氧层的影响报告有缺陷。1977年，美国科学院发表看法，认为每年航天飞机飞行 60次会导致北半球平流层中的臭氧减少0.2%。
为了保护人类健康和生物生存环境，联合国环境规划署理事会决定，于 1977年 3月在美国华盛顿召开“评价整个臭氧层国际会议”。有 32个国家的专家参会，并通过第一个“关于臭氧层行动的世界计划”，内容包括监测臭氧和太阳辐射，评价臭氧耗损对人类健康、生态系统和气候的影响，以及开发一个用来评价采取国际性控制措施及由此带来好处的方法等。会议还要求联合国环境规划署成立一个“臭氧层问题协调委员会”，定期讨论协调有关氯氟烃的国际控制措施。但是这种国际协调进展极其困难。
1980年 11月联合国环境规划署理事会提出制订一个保护臭氧层公约的议案，为此邀请了一些法制专家和技术专家成立一个特设工作组构思一个国际公约的框架。经多年酝酿，提出了召开保护臭氧层外交大会，并提出保护臭氧层公约的框架。
署在奥地利维也纳召开了“保护臭氧层外交大会”。有 21个国家的政府代表出席了会议，其中发展中国家只有 4个，即埃及、阿根廷、秘鲁、智利。
“维也纳公约”的宗旨是为了保护人类健康和环境，各缔约国应采取适当措施，控制足以改变或可能改变臭氧层的人类活动，以免受到由此造成的或可能造成的不利影响。
“维也纳公约”还规定各缔约国应在其能力范围内：
（1）通过有系统的观察、研究和资料交流，从事合作，以便更好地了解和评价人类活动对臭氧层的影响以及臭氧层的变化对人类健康和环境的影响。
（2）采取适当的立法和行政措施，从事合作，协调适当的政策，以便对本国的某些人类活动，在已经或可能改变臭氧层而造成不利影响时，加以控制、限制、削减或禁止。
（3）从事合作，制订执行本公约的商定措施、程序和标准，以期通过有关控制措施的议定书和附件。
“维也纳公约”虽然没有任何实质性的控制协议，但却为会后采取国际性控制氯氟烃的措施做了必要准备。“保护臭氧层维也纳公约”在1985年 3月 22日的全体大会上一致通过，并于 1989年 9月生效。我国政府认为“公约”的宗旨是积极的，于 1989年 9月 11日正式提出加入“公约”，并于 1989年 12月 10日生效。至 1993年 9月参加“维也纳公约”的缔约国已达 125个。
我国非常关心保护大气臭氧层这公约》后，我国在保护臭氧层这一方一全球性的重大环境问题，自 1989面也下了不少工夫。首先是积极履行年 9月正式加入《保护臭氧层维也纳公约的有关协定，控制消耗臭氧层物质的产量；其次是在 1992年加入《蒙特利尔议定书》，并为该议定书中的多边资金的建立作出不可磨灭的贡献。
为加强对保护臭氧层工作的领导，我国成立了由环境保护部（原国家环保总局）等部委组成的国家保护臭氧层领导小组。在领导小组的组织协调下，编制了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》，并于 1993年得到国务院的批准，成为我国开展保护臭氧层工作的指导性文件。在此基础上又制定了化工、家用制冷等 8个行业的淘汰战略，进一步明确了各行业淘汰消耗臭氧层物质的原则、政策、计划和优先项目，具有较强的可操作性。
为配合履行保护臭氧层的国际公约，我国出台了一些法规和措施，对消耗臭氧层物质的生产和使用予以控制，对替代品和替代技术的生产和应用予以引导和鼓励，如生产配额、环境标志、税收价格调节、进出口控制、投资控制等政策。
此外，我国还开展了保护臭氧层的宣传、国际合作和科研等方面的活动，提高了广大人民群众保护臭氧层的意识，并积极参与到这项保护地球环境的行动中。经过这些努力，我国保护臭氧层工作取得了明显的进展。许多企业或利用多边基金或利用自有资金进行了生产线的转换。
我国已于1999年7月1日冻结了氟利昂的生产。2007年 7月 1日前，除原料和必要用途之外，我国已淘汰其他所有氟利昂和哈龙的生产和使用，并在 2007年 9月 1日以后禁止销售含这些物质的家用电器产品。因此，目前市场上的冰箱、冰柜等都已不含“氟”。发胶、摩丝、杀虫剂等原本含有氟利昂的产品现也大多采用替代品。
我国已经确定了严格的臭氧层消耗产品的生产和销售时间表，以上海为例，根据《上海市加速淘汰消耗臭氧层物质工作实施方案（2008～ 2010年）》，2010年 1月 1日前，上海市已淘汰四氯化碳和甲基氯仿的生产和使用，在 2015年 1月前，淘汰甲基溴的生产和使用，在 2030年前淘汰氢氯氟烃的生产和使用。
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