臭氧相对分子质量比氧气的大，可为什么臭氧层飘在高空而氧气沉在地面？ 第1页

首先不同意

的回答。尽管实际的气体并非理想气体，可是地面条件下和理想气体差得并不是很远。可以认为，气体的密度和分子量大致成正比，或者说，成正相关。然后，密度大的气体下沉，密度小的气体上浮，这点是完全正确的。

空气（主要为氮气和氧气，两者密度太接近基本无法区分）和二氧化碳当然会分层！二氧化碳倒入烧杯中，烧杯中燃烧的高矮蜡烛矮的会先熄灭，当然是因为二氧化碳比空气重沉到底下去了。

大气中观察不到二氧化碳沉底的现象，是因为大气不是静止的！各种大气环流使大气各组分的浓度都在不断变化之中的。而二氧化碳本身性质稳定，所以各个高度上都会有分布的。事实上二氧化碳的分布不光在垂直方向上有变化，而且还有季节性特征：

Stephens, Britton B., et al. "Weak northern and strong tropical land carbon uptake from vertical profiles of atmospheric CO2." Science 316 (2007): 1732-1735.

比如这张图，作者测了12个采样点二氧化碳的大气垂直浓度，从地面一直到 9km 的对流层顶层。A图是夏天，789月份，可以看到趋势是地面的浓度低，高空浓度高；B图是全年平均，地面比高空略高；C图是冬天，123月份，地面明显比高空高。

以此说明，大气中组分浓度梯度并不是单纯由气体浓度来决定的。因此，本题的重点是，臭氧在大气中的垂直浓度究竟怎么样？它的总浓度有多少，它又是如何形成的？

先看一张大气臭氧浓度的垂直分布图，来自NOA

数据有点老了1999年的，但凑合着看吧意思差不多。

说的是南极上空臭氧空洞。横轴是臭氧浓度，纵轴是海拔。绿色线是温度，蓝色线是臭氧浓度，红色是臭氧空洞出现后的臭氧浓度——当然很明显缺了一大块。那么，臭氧层本该有的臭氧浓度峰值（海拔15-20km处）也就只有 15 mPa，即 0.015 Pa。什么意思呢？地面一个大气压是 10130 Pa。大气中臭氧的浓度峰值，也就是地面大气浓度的1.5ppm（百万分之1.5）而已。这么稀薄，当然更轮不到什么分子量来起作用。

高空大气臭氧的形成，主要就是靠紫外线。臭氧层之所以能够屏蔽大部分紫外线（UVC和大部分UVB），正是因为臭氧的生成需要吸收紫外线（< 250nm, UVC）。

一个氧分子吸收紫外线，解离成两个激发态氧原子（高能）。处在激发态的氧原子非常躁动，赶紧抓来另一个氧分子（实际还需要第三个分子一起碰撞以维持能量守恒），生成臭氧。

图解也来自NOAA

臭氧的分解也吸收 UVB 和 UVC （< 320 nm）

这也就是姑娘和小伙儿涂防晒霜别忘了防 UVA （>320nm）的原因呐——臭氧层吸收不了 UVA 的。

本来这两个过程是平衡的，也正是如此大气层会不断吸收紫外线，生成、分解臭氧，直到大部分UVB 和 UVC 都被吸收掉了。

但是当含氯化合物等污染物进入臭氧层后，这些污染物在紫外照射下光解出氯原子

Cl这条反应链，关键的是一旦紫外光搞下一个氯原子，它会持续破坏臭氧，但自身一直存在（催化剂）。这下好了，平衡打破了——臭氧分解速度超过了生成速度，臭氧浓度就下降

近地表由大气污染物诱发的臭氧形成机理过为复杂，在此就略过不表了。