平流層光化學

大氣與平流層

地球大氣的溫度、密度和其它性質在垂直方向上呈不均勻分布。這種不均勻分布導致人們把地球大氣分為五層，由低到高依次是對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層。

從地表到垂直高度 10 km 左右之間的是對流層。對流層內的大氣的質量占地球大氣總質量的 3/4。對流層中的氣體進行垂直對流運動。

對流層上方的是平流層，其垂直高度在 10 km 到 55 km 之間。該層內氣體的溫度隨著垂直高度的增加而升高，所以氣體狀態很穩定，垂直對流運動很少，隨地球轉動而產生平流運動。在氣體組成方面，平流層和對流層之間最大的區別是平流層內的臭氧含量遠比對流層高。平流層中，距地表 10 km 到 40 km 間的是臭氧層。

光化學反應

分子、原子、離子或自由基吸收光子而發生的化學反應叫做光化學反應。這些化學物種吸收光子後會變為激發態，隨後，激發態可能變回基態，也可能解離生成新的物種，也可能和其它物種作用產生新的物種。

大氣中的光化學反應是大氣中化學物種吸收太陽光產生的反應，這些反應都符合光化學第二定律，即這些激發態都是化學物種只吸收了一個光子（而非多個光子）而形成的。

平流層臭氧的光化學反應

臭氧的形成

平流層的特點是臭氧含量較高（0.0003%），這些臭氧全部是由氧氣的光化學反應形成的。當一個氧氣分子（O₂）吸收一個波長小於 241 nm 的光子後，會解離為兩個氧原子（O）。一個氧原子和一個氧氣分子碰撞之後形成一個臭氧分子（O₃）。反應速率取決於紫外光的強度（光子數量）和氧氣濃度。在平流層頂端，儘管紫外光很強，但氧氣濃度較低，所以形成的臭氧很少。

臭氧的破壞

臭氧的破壞有多種途徑。

當一個臭氧分子吸收一個波長在 200nm 到 300 nm 之間的光子，它會解離為一個氧原子和一個氧氣分子。當一個臭氧分子和一個氧原子作用，會形成兩個氧氣分子。

除這兩種反應之外，平流層中的水蒸氣（H₂O）和一氧化二氮（N₂O）也會發生一系列複雜的光化學反應，起到破壞臭氧的作用。這一系列反應如下圖所示：

以上這些破壞臭氧的反應都是自然界中每天都發生的，除此之外還有人為破壞臭氧的反應。當人類開始大量使用氟利昂等消耗臭氧層物質時，這些物質會釋放到大氣中。當它們上升到平流層時，會吸收紫外光，使分子中的氯解離出來，生成氯原子（Cl）。當氯原子和臭氧分子發生作用時，會形成一氧化氯（ClO）和氧氣。當一氧化氯和氧原子相遇並發生作用時，又會形成氧氣和氯原子。這些氯原子還會繼續破壞臭氧分子。

對地球的影響

短波紫外線會破壞生物的健康，而平流層中的臭氧吸收了這些紫外線，使地球生物免遭其害。同時，這些紫外線又能促進臭氧的形成，使平流層中的臭氧濃度達到動態平衡。但是，當人類大量使用氟利昂等消耗臭氧層物質後，這種動態平衡被打破，臭氧的破壞速度變得高於形成速度，平流層臭氧濃度持續減少，最終出現了臭氧空洞。