特定氣候條件形成的催化反應_計劃與總結(jié)

特定氣候條件形成的催化反應: 查字典地理網(wǎng) 來源|2016-09-06 發(fā)表|教學分類：計劃與總結(jié)

「氯貯存物質(zhì)」與催化反應

氟里昂進入平流層后在強烈的紫外輻射作用下，釋放出一個氯原子：CCl3F+hv CCl2F+Cl。這個釋放出的氯原子，用數(shù)個月的時間通過催化反應，就可以使10萬個臭氧分子消失。首先，氯與臭氧反應，生成氧化氯自由基：Cl+O3 ClO+O2，自由基ClO非?；顫姡c同樣活潑的氧原子反應，生成氯和穩(wěn)定的氧分子：ClO+OCl+O2。釋放出的氯原子又和臭氧產(chǎn)生反應，因此，氯原子一方面不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應中不斷再生，形成催化反應。但是注意到，進入平流層還有其它微量氣體，例如甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2），氯原子和它們分別作用產(chǎn)生氫氯酸（HCl）和硝酸氯（ClONO2）,這些物質(zhì)化學性質(zhì)不活潑，不會釋放出氯原子，稱為「氯貯存物質(zhì)」，阻斷了氯原子再生功能，在臭氧分解反應方面氯原子不再具有催化功能。單純從化學的角度來看，氟里昂對臭氧的破壞有限。

既然，氟里昂在平流層可以形成「氯貯存物質(zhì)」，為什么還有臭氧洞？

氟里昂主要由北半球工業(yè)化國家排出，北半球大氣中氟里昂濃度也高于南半球，那么至今最大的臭氧洞卻出現(xiàn)在南極而不是其它地方？

三水硝酸極地平流層云的形成和化學催化反應

平流層空氣極為干燥，相對濕度只有1%左右，幾乎沒有云、雨等天氣現(xiàn)象，但是在漫長的極地冬夜期間，仍會因嚴寒形成極地平流層云。

在南極的6月，極夜的冬季來臨，沒有太陽加熱，氣溫常會下降至-80℃左右，平流層的三水硝酸（NHO33H2O）在-78℃的條件下就會包圍住直徑約0.1微米的硫酸微粒，形成直徑約1微米的顆粒，但是顆粒細小，而且比較分散，常常大規(guī)模地生成，有時分布范圍可達數(shù)千公里，組成一種肉眼看不見的極地平流層云。

這些硫酸微粒部分起源于人類活動，有些則是天然的。例如1982年墨西哥艾爾奇肯火山爆發(fā)，把500萬噸左右的硫化物直接噴入平流層。

冬季極地氣溫繼續(xù)下降至-83℃以下，水汽就會附著在三水硝酸顆粒表面，凝結(jié)成冰粒。三水硝酸組成的極地平流層云就會繼續(xù)發(fā)展成另外兩種冰粒組成的極地平流層云。如果氣溫快速下降，冰粒直徑約為兩微米左右，密集分布，在陽光折射下，出現(xiàn)珍珠般光澤，這種極地平流層云因此稱為貝母云。如果氣溫緩慢下降，冰粒直徑大約為10微米，生成的冰粒密度較稀，這種平流層云不如貝母云明顯可見，肉眼勉強可見。

由三水硝酸、小冰粒、大冰粒組成的三種極地平流層云在南極比北極更常見，其中三水硝酸極地平流層云在南極最普遍。三水硝酸極地平流層云不僅把氯貯存物質(zhì)吸收到顆粒的界面上，并且產(chǎn)生化學反應，釋放氯氣：ClONO2+HClCl2+HNO3。一旦9月來臨，南極春季陽光普照，在短短幾個小時內(nèi)，活潑的氯氣被分解成兩個氯原子：Cl2+hvCl+Cl。由于生成三水硝酸消耗大量的氮氧化物，并且三水硝酸極地平流層云的冰粒界面產(chǎn)生氫氯酸和硝酸氯的化學反應，既消耗氯貯存物質(zhì)又消耗它的生成物質(zhì)。氯原子和臭氧分子產(chǎn)生的氧化氯自由基沒有反應物，自行結(jié)合成二聚物ClOOCl，在紫外線照射下這個二聚物很快分解成兩個氯原子，再次開始分解臭氧的反應：

Cl+O3ClO+O2

ClO+ClOClOOCl

ClOOCl+hvCl+ClOO

ClOOCl+O2

Cl+O3ClO+O2

上述五個反應方程內(nèi)，反應物和生成物等量相互置換的有：Cl、ClO、ClOOCl、ClOO，所以，凈反應方程是：O3+O33O2。

由此可見，在三水硝酸極地平流層云的環(huán)境內(nèi)，氯原子才能取得催化者的角色，以不同的形式再參與不同的化學反應，一個氯原子最終破壞10萬個臭氧分子。

圖中不同顏色小球代表不同元素的原子，綠色代表氯原子，紫色代表碳原子，紅色代表氟原子，蘭色代表氧原子。

極地渦旋和極地平流層云的相互作用

圍繞極地旋轉(zhuǎn)的閉合風系，外觀上呈現(xiàn)出渦旋狀態(tài)叫做極地渦旋。每年大約5、6月間，在南極冬季開始的時候，強烈的冷氣團形成圍繞南極的閉合風系，出現(xiàn)極地渦旋。大約到11月，氣溫回升時，極地渦旋才會崩潰。

由于極地渦旋風速強勁，渦旋內(nèi)部的空氣與外部大氣完全隔離，從低緯地區(qū)吹來的風，雖然向南極輸送大量溫暖富含臭氧的空氣，也無法進入渦旋內(nèi)部，使氣溫上升，因此，渦旋內(nèi)部氣溫只降不升，迅速達到極地平流層云的形成條件，臭氧分解。

臭氧一旦分解，停止吸收紫外線，渦旋內(nèi)部空氣也就失去加熱的熱源，氣溫進一步下降，極地平流層云得到發(fā)展，同時強化了極地渦旋，使它保持穩(wěn)定狀態(tài)。