大气层化学的新纪元-1995年诺贝尔化学奖评述.pdf

大气层化学的新纪元 1995 年度诺贝尔化学奖评价 朱传征 荷兰保罗·克鲁岑（Paul Crutzen ），美国马里奥·莫利纳（Mario Molina ） 和舍伍德·罗兰（F ． sherwood Rowland ）由于在大气层化学，尤其是臭氧的 形成和分解的研究方面作出的杰出的贡献，而被授于1995 年度诺贝尔化学奖。 保罗·克鲁岑1933 年生于荷兰阿姆斯特丹市，1973 年获斯德哥尔摩大学气 象学博士学位，瑞典皇家科学院院士和瑞典皇家工程科学院院士，现任德国马克 斯普朗克化学研究所教授。马里奥·莫利纳 1943 年生于墨西哥的墨西哥市， 加利福尼亚大学伯克利分校物理化学博士，美国国家科学院院士，现任麻省理工 学院地球、大气和行星科学系教授。舍伍德·罗兰 1927 年生于美国俄亥俄州特 拉华市，1952 年获芝加哥大学化学博士学位，美国文理科学院和国家科学院院 土，现任加利福厄亚大学化学系教授。 臭氧层—生物圈的阿基里斯脚踵[注] 环绕地球的大气中含有少量的臭氧，若将大气中所有的臭氧压缩到相当于地 球表面的大气压力，则臭氧层只有3mm 厚，虽然臭氧的存在量很小，但它对地 球上的生命起着至关重要的作用，这是因为臭氧和氧气一起能够吸收由太阳辐射 的大部分紫外线，使它们不能到达地球表面。一旦失去了臭氧层的保护，将导致 皮肤癌和白内障等疾病的发病率增加，甚至动植物将无法生存。因此,了解调节 臭氧含量的过程显得非常重要。 保罗·克鲁岑、马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰在解释大气中臭氧如何通过 化学过程形成和分解方面率先作出了贡献。他们的研究表明，臭氧层对人为释放 的某些化合物极为敏感。稀薄的臭氧层最可能受到严重破坏，它是生物圈唯一致 命的弱点。大自然变暖倾向已证实了这一点。这三位科学家通过阐明影响臭氧层 厚度的化学机理，从而为解决可能带来灾难性后果的全球性环境问题开创了新纪 元。 该理论怎样形成？ 大气中氧分子在紫外线作用下，先分解成氧原子，接着再和氧分子反应形成 臭氧： [注] 希腊神话，阿基里斯出生后，被其母倒提着在冥河水中漫过，除未浸到水的脚踵外，浑身刀枪不入。 这里比喻唯一致命的弱点。 紫外线 O2 2O O+O +MO +M 2 3 式中M 是一个随机的空气分子(O 、N )或其它分子，仅起传递能量的作用。 2 2 早在1930 年英国的物理学家西德尼·查普曼（Sideny Chapman ）首先提出 了大气中臭氧的形成和分解的光化理论。该理论描述了阳光作用下，氧的各种形 态间是如何相互转化的；并阐明臭氧的最高含量存在于海拔15～50km 的大气层 中，该层即称为臭氧层。然而，以后的测量与查普曼理论有明显的偏差，臭氧含 量的计算值明显高于观测值。因此，一定存在其它的化学反应使臭氧含量减少。 直至多年后，比利时的马塞尔·尼科莱特（Marcel Nicolet ）填补了这方面的空 白，他认为由于羟基OH 和 HO2 基团的存在，加剧了臭氧的分解。向更深入理 解臭氧层化学迈出关键步骤的科学家是保罗·克鲁岑。他于 1970 年指出，氮的 氧化物NO 和NO2 可以对臭氧的分解起催化作用，从而造成臭氧含量的迅速减 少。 NO ＋O NO ＋O 3 2 2 NO ＋ONO ＋O 2 2 紫外线 O O +O 3 2 净结果：2O O 3 2 大气中氮的氧比物除了来自工业生产、汽车尾气等以外，还通过 N O 分解