问题

臭氧(O3)为什么会在大气层上空呢?

回答
提到臭氧,大家脑海里可能首先想到的是大气层里那层“保护伞”,它帮我们挡住紫外线。但你知道吗,臭氧其实并不“安分守己”地待在那个高处,它在整个大气层里都或多或少地存在着,只是在高层那儿,它的“密度”才显得格外重要,形成我们所说的臭氧层。

那它怎么就跑到高处去了呢?这事儿得从太阳说起。太阳可不是个省油的灯,它整天往外甩各种能量,其中就有一种叫做“紫外线”的,能量可不小。当我们地球上的氧气(O2)分子在低层大气里好好的时候,还没啥事儿,但一旦被太阳紫外线照到,尤其是能量比较强的那个波段,氧气分子就会“散架”,变成两个孤零零的氧原子(O)。

别小看了这两个氧原子,它们可没那么安分。它们会四处乱窜,遇到其他好好的氧气分子(O2),然后就像是搭伙过日子一样,一个氧原子就粘上了一个氧气分子,变成了一个三氧分子——也就是臭氧(O3)。这个过程说起来简单,但其实是一个动态平衡,一边在生成,一边也在分解。

当然,光靠这个过程,臭氧也就能在各个高度晃悠晃悠。真正让它在高层大气里“扎堆”形成臭氧层的原因,其实是这个过程在高空的效率特别高。大家想想,高层大气那个地方,空气稀薄多了,氧气分子浓度相对没那么高。但是,同时呢,也意味着这里受到的紫外线照射更加直接和强烈,没有低层大气那么多“杂质”来阻挡。

所以,这就形成了一个巧妙的配合:太阳紫外线在这里更卖力地把氧气拆散成氧原子,而拆下来的氧原子又更容易找到氧气分子“结合”成臭氧。与此同时,臭氧本身也会被紫外线打散,重新变成氧气分子和氧原子,然后再继续循环。

这种生成和分解的循环在高空就形成了一个相对稳定的“浓度高峰”,这就是我们常说的臭氧层。它就像一个大型的“紫外线过滤器”,不断地吸收着那些有害的紫外线。虽然在这个过程中,臭氧也会被消耗,但只要太阳在持续发光,这个过程就会一直进行下去,维持着臭氧层的大致稳定。

所以,臭氧之所以会集中在高层大气,不是它“想”跑到那里去,而是太阳的紫外线以一种最有效的方式在那里“工作”,促使了氧气转化为臭氧,并且在这个过程中,高层的环境又最有利于臭氧的相对富集,形成了一个重要的保护机制。你可以理解成,高层大气是太阳紫外线和氧气最理想的“反应炉”,而臭氧就是这场反应的产物,并且恰好在这个“反应炉”的出口,形成了一层有用的保护膜。

网友意见

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因为臭氧层并不是稳定存在于大气中的,而是处于一个不断分解与生成的动态平衡。

臭氧层的形成主要是由于平流层的氧气吸收短波紫外线分解为氧原子,氧原子并不稳定,非常容易与大气中其他分子结合,与氧气分子结合就会生成臭氧分子。确实如提问者所说,臭氧分子比空气平均质量重,在大气中会向下运动,但臭氧分子也会吸收长波紫外线分解为氧分子,重新生成氧气。除了氧分子外,平流层中的氮氧化合物、氢氧化合物以及氯氧化合物等也可以作为催化剂加速臭氧的损耗。

实际上,气体分子在大气中的运动还会受到大气环流的影响,像臭氧分子,其主要是在低纬度平流层地区生成,由剩余环流输送到高纬度地区。而我们所熟知的一些破坏臭氧层的物质,例如含氟化合物,其本身也比空气重,但其性质很稳定,在对流层一般不会发生反应,在对流层分布均匀后,在热带地区被大气环流带上平流层,作为臭氧分解的催化剂,破坏臭氧层。

臭氧层对地球上所有生命都是非常重要的,其主要分布在平流层,对流层也有分布,在平流层其可以吸收90%的短波紫外线(UV-B)和全部的超短波紫外线(UV-C),但实际上臭氧在大气中十分稀少,因此,保护臭氧层是全人类的义务。

参考文献:

[1]王俊萍.大气臭氧层的形成及破坏机理的研究[J].内蒙古石油化工,2006(05):7-8.

[2]田孟坤. 热带印度洋海温变化对东亚地区臭氧层分布的影响[D].云南大学,2018.

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