[科普中国]-平流层光化学

平流层光化学的研究内容是地球大气平流层中发生的光化学反应。平流层最主要的特征之一是臭氧含量较高，所以平流层光化学的主要研究对象是臭氧的光化学反应，包括臭氧的形成和臭氧的破坏，涉及臭氧、氧气、一氧化二氮等分子与短波紫外线之间的反应。这些反应与臭氧空洞的形成密切相关。

大气与平流层地球大气的温度、密度和其它性质在垂直方向上呈不均匀分布。这种不均匀分布导致人们把地球大气分为五层，由低到高依次是对流层、平流层、中间层、热层和外逸层。

从地表到垂直高度 10 km 左右之间的是对流层。对流层内的大气的质量占地球大气总质量的 3/4。对流层中的气体进行垂直对流运动。

对流层上方的是平流层，其垂直高度在 10 km 到 55 km 之间 。该层内气体的温度随着垂直高度的增加而升高，所以气体状态很稳定，垂直对流运动很少，随地球转动而产生平流运动。在气体组成方面，平流层和对流层之间最大的区别是平流层内的臭氧含量远比对流层高。平流层中，距地表 10 km 到 40 km 间的是臭氧层。123

光化学反应分子、原子、离子或自由基吸收光子而发生的化学反应叫做光化学反应。这些化学物种吸收光子后会变为激发态，随后，激发态可能变回基态，也可能解离生成新的物种，也可能和其它物种作用产生新的物种。

大气中的光化学反应是大气中化学物种吸收太阳光产生的反应，这些反应都符合光化学第二定律，即这些激发态都是化学物种只吸收了一个光子（而非多个光子）而形成的。2

平流层臭氧的光化学反应臭氧的形成平流层的特点是臭氧含量较高（0.0003%1），这些臭氧全部是由氧气的光化学反应形成的。当一个氧气分子（O2）吸收一个波长小于 241 nm 的光子后，会解离为两个氧原子（O）。一个氧原子和一个氧气分子碰撞之后形成一个臭氧分子（O3）。反应速率取决于紫外光的强度（光子数量）和氧气浓度。在平流层顶端，尽管紫外光很强，但氧气浓度较低，所以形成的臭氧很少。4

臭氧的破坏臭氧的破坏有多种途径。

当一个臭氧分子吸收一个波长在 200nm 到 300 nm 之间的光子，它会解离为一个氧原子和一个氧气分子。当一个臭氧分子和一个氧原子作用，会形成两个氧气分子。

除这两种反应之外，平流层中的水蒸气（H2O）和一氧化二氮（N2O）也会发生一系列复杂的光化学反应，起到破坏臭氧的作用。这一系列反应如下图所示：

以上这些破坏臭氧的反应都是自然界中每天都发生的，除此之外还有人为破坏臭氧的反应。当人类开始大量使用氟利昂等消耗臭氧层物质时，这些物质会释放到大气中。当它们上升到平流层时，会吸收紫外光，使分子中的氯解离出来，生成氯原子（Cl）。当氯原子和臭氧分子发生作用时，会形成一氧化氯（ClO）和氧气。当一氧化氯和氧原子相遇并发生作用时，又会形成氧气和氯原子。这些氯原子还会继续破坏臭氧分子。4

对地球的影响短波紫外线会破坏生物的健康，而平流层中的臭氧吸收了这些紫外线，使地球生物免遭其害。同时，这些紫外线又能促进臭氧的形成，使平流层中的臭氧浓度达到动态平衡。但是，当人类大量使用氟利昂等消耗臭氧层物质后，这种动态平衡被打破，臭氧的破坏速度变得高于形成速度，平流层臭氧浓度持续减少，最终出现了臭氧空洞。4

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院