單元五、臭氧層的環境保育


什麼是「臭氧」?臭氧和紫外線之間又有什麼關聯?到底誰是破壞臭氧層的禍首?臭氧減少了,人類又要怎樣面對這場未來的浩劫?緊張!刺激!身為未來二十一世紀的地球人,以下的內容,你不可不知………

紫外線的剋星----臭氧

臭氧層 我們由前幾個單元可知,紫外線對地球生物深具破壞性。紫外線雖然如此頑強,但仍有制服它的剋星,那就是一種叫「臭氧」的氣體。
「臭氧」是一種具有刺激性氣味,略帶有淡藍色的氣體,記為O,它跟我們人類呼吸所需的氧氣(記為O)不同。地球上大部分的臭氧都集中在離地面 二十至三十公里處的大氣之中,這部分的大氣我們稱之為「平流層」,又稱「臭氧層」。
臭氧層就像是地球的防護罩,因其中的臭氧吸收紫外線而分解。這個臭氧吸收紫外線產生熱能的過程,就是保護地球免於紫外線傷害的原因。因此我們可以說,臭氧,就是紫外線的剋星!

臭氧寶寶的誕生

在數億年前,地表的大氣沒有臭氧層,地表受到陽光中的紫外線強烈照射,因此陸地上沒有生物生存。因為水能吸收紫外線,所以僅有少數的生物生存在水中(圖A),而水中植物不斷吸收大氣中的二氧化碳,釋放出氧氣擴散到空氣中(圖B),其中一部份的氧氣上升至平流層,受到波長非常短的紫外線作用(圖C),氧氣變成了臭氧,因而產生了臭氧層來保護地球(圖D)。
A臭氧寶寶的誕生 B臭氧寶寶的誕生
C臭氧寶寶的誕生 D臭氧寶寶的誕生

在平流層中,臭氧的生成過程如下:
O
2+ UV(波長小於240nm--> 2O* (產生氧原子)
O* + O
2 + M O3 + M* --> (生成臭氧 ) MO2N2的低態的分子
此外,臭氧具很強的還原能力,因此有人用來淨化空氣或飲水之消毒。臭氧層雖然會吸收紫外線,但因臭氧會刺激上呼吸道黏膜、眼睛及造成肺功能減退,對人體有不良影響。因此由空氣污染物二次反應的臭氧,已成為環保單位管制的對象。

親愛的!我們把臭氧層弄破了!

1970年代開始,全球各緯度平流層的臭氧含量降低約1.21.0%不等。尤其是南半球每逢春季,科學家便會在南極上空觀測到臭氧量有嚴重減少的現象,宛如破了一個大洞,因此稱為「臭氧洞」。此臭氧洞一年一年的增加,直到1995年南極上空臭氧洞面積已經擴大為歐洲大陸的兩倍,引起全世界密切的關注。而19974月的報告也指出,就連北極地區的臭氧也比前一年急遽下降了15%25%
人類不禁要問起,高高在上的臭氧為何會受到破壞?到底是誰將臭氧層弄破了呢?
1979
年南極臭氧洞分佈如右圖
臭氧層

臭氧寶寶的隱形殺手-----氟氯碳化物

使平流層臭氧量減少的罪魁禍首有好幾個,其中最主要的元凶就是「氟氯碳化物」。
約在1930年代起,人類為了製作冷氣機及冰箱等電器所使用的冷煤,以及製作噴霧罐所需的推進劑,聰明的人類便發明了「氟氯碳化物」(簡稱CFCs,包括海龍、氟利昂等)這樣的東西。由於它穩定性高、不自燃也不助燃、不易起化學變化,而且對於人體的傷害較小,氟氯碳化物的使用遍及各種工業及日常生活用品。的確,氟氯碳化物增進了許多工業上及人類生活上的便利,但是誰也沒有想像到,臭氧層危機的最大元凶竟是氟氯碳化物!
接下來,讓我們好好地認識一下這些殺手家族成員和他的藏身之處吧!

為何氟氯碳化物主要產自北半球,卻在南極上空產生臭氧洞?
由於氟氯碳化物不溶於水且非常穩定,故在一、兩年之內在離地表10公里內均勻混合,混和後沿熱帶緯度逐漸上升,並藉風力往南北兩極方向帶動。然而南極地區上空平流層形成的漩渦會阻斷空氣的交換,而且南極地區為一大片海洋所包圍之陸地,造成極低溫狀態(低於-80度),有助於極性冰晶雲之產生。氟氯碳化物經化學反應後可吸附在冰晶表面, 待次年春天陽光出現時,再以驚人的效力損耗臭氧。然而北極地區平流層很少低於-80度,而且北極地區的80度,而且北極地區的平流層漩渦在陽光出現前已經消散,新的臭氧可補充進來,因此臭氧洞較不易在北極地區發生。

藏身地點一:發泡劑

硬質PU發泡劑(例如冰箱絕緣層發泡體、建材)、PU自成皮(如汽車內裝材)、聚苯乙烯(PS)發泡劑(如建材)及PE發泡劑等,是家族「大哥大」氟利昂-11最喜愛的藏身之處。

藏身地點二:冷媒

除此之外,「大哥大」氟利昂-11也喜歡藏在一般大樓及廚房使用的大型空調離心式冰水機的冷媒之內。而殺手家族的「二哥大」氟利昂-12則喜歡藏在家用冷氣機、漁船冷凍系統、商業冷凍系統及冷藏櫃之內。

藏身地點三:清洗劑

比起他人來,「老三」氟利昂-113則喜歡跟高科技產品為伍,在積體電路版、半導體材料、等電子零件及光學零件清洗劑中,都可找到他的蹤跡。

藏身地點四:噴霧劑

「大哥大」氟利昂-11和「二哥大」氟利昂-12除了藏身在冷媒以外,有時候,他們哥倆好也會一起出沒在化妝品、醫藥品、清潔用品的噴霧裝置之中。

藏身地點五:滅火劑

此外,海龍家族中「大表弟」海龍-1211及「二表弟」海龍 -1301則具有特別的防火效果,常出現在安全場所的滅火劑之中。雖然他們想多做善事、減少火災,但是這兩位表弟對於臭氧的破壞能力更甚於氟利昂三兄弟,所以海龍家族的動向更值得關切。

可能含有氟氯碳化物的物品

1970年荷蘭科學家郭祿貞指出有些耐久的人造物質可能損害臭氧層。1974年美國科學家馬林納及勞侖證實噴霧罐及家電用品中如冰箱等所用的CFCS足以嚴重破壞臭氧層。這三位科學家因此獲得1995年諾貝爾獎。

氟氯碳化物,化學性質十分穩定,在接近地面的大氣並不會分解,但它上升至平流層,經太陽光分解後會產生氯原子。根據估計,每一個氯原子在它的平均壽命之中,約可破壞十萬個臭氧分子。如果照現況延續下去,到2050年時臭氧層預估將減少16%,地球上因強烈的紫外線引起的疾病將大幅增加。倘若臭氧層破壞達30%,則前面提過的各種紫外線都將到達地面,後果真不堪設想。
臭氧層是地球的防護面紗,當它愈來愈薄、破洞也愈來愈大的時候,屆時人們要如何挽救這場浩劫呢?
1987
年由26個國家在加拿大蒙特婁市簽署了「蒙特婁破壞臭氧層物質管制議定書」,管制各國的氟氯碳化物的生產量,希望在本世紀結束前,氟氯碳化物的用量能減少一半;並於2000年,各國全面禁用氟氯碳化物、四氯化碳等物質。但臭氧層的急遽破壞,仍是遠超過科學家的預期。如果確實按照議定書的進度執行,預計仍須四、五十年時間,臭氧洞才會消失。

給老師的話:
常用的氟氯碳化物的性質

類別

學名

用途

生命期

冷媒CFCl3

一氟三氯甲烷
Freon-11

噴霧推進劑、冷媒、發泡劑、清洗劑。

62

CF2Cl2

二氟二氯甲烷
(12)

噴霧推進劑、冷媒、發泡劑、清洗劑。

130

C2 F3Cl3

三氟三氯乙烷
(Freon-113)

清洗容劑。

90

C2 F4Cl2

二氟四氯乙烷
(Freon 114)

清洗劑。

180

C2 F5Cl2

五氟二氯乙烷
(Freon -115)

清洗劑。

380

海龍CF2Cl Br

二氟一氯一溴甲烷
(Halon-1211)

噴霧推進劑、冷媒、發泡劑、清洗劑。

52

C F3Br

三氟一溴甲烷
(Halon-1301)

噴霧推進劑、冷媒、發泡劑、清洗劑。

110

挑戰活動十五、臭氧大戰氟氯碳化物

課前準備:

可能含有氟氯碳化物的物品團結力量大 全班學必須熟悉以下的概念:
臭氧可吸收陽光中的紫外線,紫外線減少了。
氟氯碳化物會破壞臭氧,臭氧量減少,但氟氯碳化物沒有減少

•活動目的:藉由團體遊戲來熟悉臭氧、紫外線及氯原子的化學反應過程。
•活動建議時間:30分鐘

遊戲規則:

1.      徵求班上同學約20人擔任「臭氧」的角色,每人扮演一個臭氧。另找10人擔任「紫外線」角色、3人擔任「氟氯碳化物」角色,一位同學負責計時。(各種角色人數可依每班不同情況加以小幅度調整)

2.      每種角色人員分別以不同服裝或飾品加以區分。(如飾演紫外線的同學可戴上帽子,飾演氟氯碳化物的同學可穿上綠色制服外套,飾演臭氧的同學則穿白色運動上衣)。

3.      每回合的遊戲時間為5秒鐘,遊戲一開始,每種角色必須在限定時間內完成下列4.∼6.的工作。

4.      臭氧:扮演臭氧的人,可以在5秒鐘內抓到一個「紫外線」並消滅它。但臭氧要避免被「氟氯碳化物」抓到,否則就會被消滅而退出場外。

5.      紫外線(此處僅指波長非常短的紫外線):紫外線要避免被扮演臭氧的人抓到,否則紫外線就會被消滅而退出場外。

6.      氟氯碳化物:可以隨時隨地消滅臭氧,臭氧被消滅後必須退出場外,而氟氯碳化物仍然存在。

每完成一回合之後,老師可令學生在下頁表格中統計最後場內各剩多少個臭氧、紫外線,以及氟氯碳化物。大約五個回合之後,依照統計結果,做出「地球臭氧層破了大洞」、「臭氧層被氟氯碳化物所侵佔」、「臭氧成功地將紫外線完全消滅」等結論。若另有時間,可以改變「臭氧」、「紫外線」及「氟氯碳化物」原來人數,再進行第二次遊戲。比較前後兩次的結果有何不同。

臭氧大戰氟氯碳化物結果

 

臭氧分子

紫外線

氟氯碳化物

開始

20

10

3

1回合

 

 

 

2回合

 

 

 

3回合

 

 

 

4回合

 

 

 

5回合

 

 

 

結  論

 

完成本活動之後,你有什麼感想呢?令你印象最深刻的事情是什麼?請你紀錄下來,與同學一齊分享:

挑戰活動十六、誰是破壞臭氧層的禍首?

以下的檢查表可以幫助你瞭解自己對於氟氯碳化物的使用情形。請在符合的□中打勾,並且看看你自己是屬於哪一類型的臭氧層破壞者:

•活動目的:利用現今流行的自我測驗題目,讓學生瞭解自己哪些行為與臭氧層息息相關,並且對不同類型的學生給予適當的建議。
•活動建議時間:25分鐘

1、我平均多久使用一次泡沫髮膠式的產品?

   □從不使用(0分)          □每月一次(2分)    

   □每星期一次(4分)        □每天一次(6分)

2、我平均多久使用一次保麗龍材料?

   □從不使用(0分)          □每月一次(2分)    

   □每星期一次(4分)        □每天一次(6分)

3、我三餐的使用的餐具是否是保麗龍的製品?(如漢堡盒、便當盒、免洗碗等)

   □從不是(0分)           □很少是(2分)      

   □有時是(4分)           □經常是(6分)  

4、我家裡冷氣機的數目是:

   □無(0分)(跳答至第7題)□一台(2分)      

   □兩台(4分)             □三台以上(6分)

5、夏天時,我家冷氣機平均多久開機一次?

   □一個月一次(2分)      □一星期一次(4分)  

   □每天一次(6分)        □半天一次(8分)

6、我家冷氣機每開機一次的平均使用時間是:

   □一小時(2分)   □兩小時(4分)   □四小時(6分)   

   □六小時(8分)   □八小時(10分)  □十小時以上(12分)

7、家中滅火器的滅火劑中,是否含有氟氯碳化物等化學物質?

   □無滅火器(0分) □否(0分)       □是(4分)

8、我家裡電冰箱的數目是:

   □一台(2分)            □兩台(4分)      

   □三台(6分)            □四台以上(8分)

9、家中有幾人從事超級市場、便利超商等有大型冷藏櫃(含大量冷媒)之相關工作?

   □無(0分)       □一人(2分)        □兩人(4分)    

   □三人(6分)     □四人以上(8分)

 

回答完畢,計算一下自己的總分,看看你是下列哪一類型的破壞人物:

 

分數

類型

你的特色

對你的建議

2分至15

不可思議型

你這類型的人幾乎完全不使用高科技產品。你到底是不是現代人啊?真是不可思議!

建議你別拒進步的產品於千里之外,有時使用一下冷氣機或非噴霧型的髮膠也有它的好處。但請記得要慎選不含氟氯碳化物的產品。

15分至40

潛在危機型

這是大多數人的類型。雖然你並非無藥可救的臭氧層破壞者,但是你的生活習慣也已經威脅到臭氧層的存在。

追求舒適便利的生活是你的權力,但別忘了人類必須和自然和平共存。你若能少使用幾個保麗龍餐具,或少買幾次髮膠,那可是一大福音。

40分至64

超級破壞型

你這種人已到無藥可救的地步。這些人應該為臭氧洞一半以上的面積負起責任。

你若不強烈改變自己的生活習慣,我看最好還是消失了吧,以免危害整個地球上的生物。

 

我的總分是:____    我的類型是:___________

班上分數最高的三位同學是:______________________________

班上分數最低的三位同學是:______________________________

我的感想:________________________________________________

ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ

ˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍˍ

 

氟氯碳化物的替代品
目前已有使用丁烷、液化石油氣和異丙醇等取代氟氯碳化物作為噴霧推進劑,也發展出CFC123CFC134a等對臭氧層破壞輕微的化合物,取代CFC11CFC12作為冷媒和發泡劑等用途。電子產品的清洗溶劑,也改用各種水溶液代替。

挑戰活動十七、搶救臭氧大兵

•活動目的:藉由宣示活動,期望學生能做到身體力行保育地球環境。
•活動建議時間:20分鐘

破壞臭氧層的後果既嚴重又直接,而如何拯救臭氧層,更是人類面臨的最大挑戰之一,世界各國應同心協力成為二十世紀補天的女媧。
如今大家都知道,臭氧層正被我們製造出來的氟氯碳化物所破壞,但氟氯碳化物卻被廣泛地運用在各種產品上,而這些產品洩漏出來的氟氯碳化物正是破壞臭氧層的殺手。為了避免情形持續惡化,你和你的家人應當共同遵守下列的宣示:

搶救臭氧全家守則:
宣示一、不使用保麗龍和泡棉,因使用完後,廢
        棄物是永久的公害。
宣示二、不購買「氟氯碳化物」當推進劑的滅火器或
        噴霧劑。
宣示三、不使用噴霧型的泡沫髮膠或醫療用品。
宣示四、購買電冰箱、暖氣機、冷氣機時,
        考慮使用正在發展中的環保冰箱、
        或冷氣機。
宣示五、汽車空調洩漏時應先修理好再填充冷媒
        ,以免「氟氯碳化物」外洩至空氣中。
宣示六、不購買以「氟氯碳化物」為發泡劑所製成的紙
        和塑膠產品。
宣示七、(自定)                                      
                                                                                  

宣示者簽名:_______________________________________
日期:__________

比較看看,你的同學中,誰找到最多人宣示並簽署這份合約。別忘了,記得「坐而言不如起而行」

宣示條文中的第七項,可以讓學生自由發揮,增列條文。例如「每天對一位家人或朋友說明氟氯碳化物的可怕」或「請家人投票支持據環保意識的民意代表」等。

挑戰活動十八、單元課後評量

在單元活動結束之後,是不是對於紫外線的防護及臭氧層的保育目的更清楚了呢?以下共有十六個是非題,請在答案為「是」的□內打√。全部做完後,看看你打√的部份連成了幾條線:

•活動目的:驗收單元學習成果
•活動建議時間:10分鐘

 

□臭氧氣體對人體有害,因此大氣中的臭氧越少越好。

□生物受紫外線照射,容易罹患皮膚癌、白內障等疾病。

□臭氧會吸收陽光中的紅外線,地表生物免於輻射。

□臭氧氣體是紫外線的剋星。

□臭氧是一種由兩個氧原子組成的分子。

□一般我們所使用的噴霧劑、冷媒和清洗劑都含有氟氯碳化物。

□數億年前,大氣層中沒有臭氧,地表會受強烈紫外線照射。

□不使用氟氯碳化物製成的塑膠製品對減緩於臭氧層的危機很有幫助。

□挽救臭氧層危機是科學家的事情,與我無關。

□工業發達及生活水準的提高造成某些產物破壞了人類的生存環境,形成全球性的問題。

1987年,全世界許多國家在加拿大蒙特婁簽署蒙特婁議定書,是為了防治全球性酸雨的公害。

□氟氯碳化物若逸散至大氣層中,其中一個氯原子約可破壞十萬個臭氧。

□我的防曬措施做的再嚴密,也不可能100%完全隔絕紫外線。

□氟氯碳化物的使用會使臭氧層破洞的現象更嚴重。

□自1978年開始,北極上空出現了所謂的臭氧洞。

□減少噴霧型髮膠或醫療用品的使用可以減緩臭氧減少的速度。

我一共連成了 條直線。

 

正確解答是連成三條直線。

當個「地球捍衛戰士」!

地球經過數億年的演化才形成臭氧層,隔除了陽光中的紫外線,使地球上有生物生存。但是如果人類為了追求生活上的便利而傷害了地球的「防護罩」,一定會付出慘痛的代價。希望這個「認識紫外線」活動的結束,是你捍衛地球行動的開始。因此從現在起,請你當一位保護地球的「捍衛戰士」吧!