臭氧層破洞的化學爭議

專題報導 10/01/2007


最近的新實驗數據,對於氯化物反應速率帶來新的認知,這可能完全顛覆二十年來我們對臭氧層破洞形成機制的理論。

從蒙特婁議定書決定保護臭氧層至今剛好二十年,《自然》雜誌獲悉有新的實驗數據,可能動搖建立已有的臭氧化學理論,如果數據正確,科學家就必須重新思考他們理解的臭氧層破洞形成原因,以及其與氣候變遷的關係。

由人類產製氟氯碳化物(CFCs)而來的長存氯化物,是造成南北半球季節性的臭氧消失的主要原因。一九八五年,研究人員在大氣中氯化物增加後發現南極上方臭氧層出現一個破洞,一九八七年蒙特婁議定書簽訂,並於二年後批准,以停止生產和消費對臭氧最有破壞力的化學製品。但是未來數十年仍有許多殘存於大氣中,這些東西要如何或花多少時間來分解,則要看分子的紫外線吸收光譜(一個分子可吸收的光線波長),原因是這都要靠太陽的能量。分子分解與反應的速度是依可獲取的波長和溫度間的協調而定。

德國極地海洋研究所維津學會大氣科學家雷克斯(So Markus Rex)當看到一個重要分子過氧化氯(Cl2O2)分解速度的新資料時,不由得重讀一遍。美國太空總署噴射推進實驗室化學家發表的這個分子光分解(光活性造成分解)的速率,在同溫層能接受到的波長下作用十分緩慢,比目前認定的速率幾乎低了十倍,「這一定有影響深遠的後果。」雷克斯說:「如果這個測量是正確的,我們根本不能再說我們了解臭氧破洞形成的原因。」至於什麼是造成臭氧以現有速度分解,原因不明。

二十年來,過氧化氯的快速光解是臭氧破壞的關鍵化學反應。雷克斯說,如果光解速度遠比原先想像中為低,本質上就不可能產生足夠的氯基,來解釋觀察到的高緯度臭氧消耗;當他把新的光解速率結合臭氧分解的化學模型,就顯現出很大的差異。這是令人震驚的結果,最近雷克斯在德國舉行的一項會議中告訴同溫層研究者,至少百分之六十的極地臭氧破壞機制不明。

其他團隊尚未能證實新的光解速率,但是這個難題已在臭氧研究界造成許多爭議與不確定性,德國馬克斯浦朗克研究院臭氧研究員克勞利(John Crowley)表示,「我們了解的氯化物化學已經瓦解。」

英國劍橋大學歐洲臭氧層研究合作部門主管的大氣科學家哈利斯(Neil Harris)同意這個看法,「到目前為止一切都很吻合。」他說:「現在好像一座橋的底板被拆掉了。」

噴射推進實驗室的測量,受到美國太空總署數據評核小組主席的化學家桑德(Stanley Sander)監督,每隔一兩年,這個小組會給大氣研究推薦可用的化學動力學和光化學數據。到明年底之前,已校訂過的光解速率不會再被鑑定,桑德說:「模型研究者得下決定要怎麼做。」檢驗資料的問題之一,在於氯化物吸收光譜的測定很難,桑德的小組運用新的技術合成並純化Cl2O2.,以避免不純及其他二次反應,小組的做法是將分子局限於低溫然後逐漸加溫。

「實驗室內的作用是一回事,而在廣大的大氣中則是另一回事。」最早在南極上空為臭氧破洞定量的科學家之一的法曼(Joe Farman)說:「不論我們是否完全了解化學作用,臭氧以每天百分之三的速度消失,殆無疑問。」但是他也表示,如果無法有效控制滅火劑使用的三氟一溴甲烷(Halon 1301)及HCFC22製冷劑等被列為造成臭氧消失管制之外的物質,比起理論模型的不符實況,更加危及蒙特婁議定書的成敗。

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同時,大氣研究人員已經開始思考如何將觀察到的臭氧分解與新的化學模型來調和。數個熱反應或綜合反應可能可彌補其中的差異,桑德的工作小組已經開始就可能性進行逐一實驗,但目前尚無任何進展。

雷克斯認為一個涉及Cl2O2同分異構物的化學通路,可能有其作用。但即使基本的臭氧破壞模型已經確認,關鍵反應過程的溫度相關性,與想像的可能大不相同甚至相反;雷克斯表示,這對於瞭解氣候變化與臭氧消失之間關係,會有極大的影響。

劍橋大學的大氣研究員派爾(John Pyle)表示,新的測量提出了「有趣的問題」,但並沒有減弱蒙特婁議定書的意義,「我們剛開始看到議定書帶來的好處,但是應該維持既有的壓力。」他表示,「十分難以相信」我們會發現一個造成臭氧大量消失的未知機制。

雷克斯強調,對於CFCs的定位,目前並沒有提出質疑,「大量的證據仍然顯示人類散發的CFCs與鹵代碳氫化合物是造成臭氧消失的原因,但是如果我們能寫下正確的化學反應,論點就會更加穩固些。」
【知識通訊評論月刊六十期】2007.10.01

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