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臭氧與笑氣共舞 - Is No Laughing Matter
2/2/2011


因為氣候變化難以預測,2010年又有許多地區發生持續的高溫、乾旱、水患、與暴風雪,而且地表平均溫也締造近五年來的新高,再加上影響全球的臭氧層破洞情形並沒顯著改善,人們在2011年裡,潛在的憂慮就愈來愈多。

最近注意到一件有點諷刺的事:某一廠商開始促銷防曬、防紫外線的油劑,要人注意皮膚保養。但筆者無意中稍微看了一下資料,才發現該廠商其實也正是 CFC 及 HCFC (氟氯碳化合物)冷煤的生產者,而 CFC 或 HCFC 正是使臭氧層破洞的主要化學品(Ozone Depleting Substances)。想想,是不是該感謝這家廠商周到的「售後」服務?

住在或進出城市的人,都意識到空氣品質惡化的情形,這是導致都市溫室效應、區域性臭氧增高、及高空臭氧層破裂的主因。空氣污染物(又稱 smog),包含許多種類廢氣與浮懸微粒,如︰硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、碳氫化物、臭氧及氟氯碳化合物等,它們的產生都與我們的生活有關,如:開車、使用石化燃料;發電廠,燃煤與石油;焚燒垃圾廢物;農牧業的牲畜排泄物與使用的肥料;工業生產程序;及廢水處理廠排放的有機廢氣等。(註1)

氟氯碳化合物,在冷煤、溶劑、高分子加工上應用廣泛,但進入大氣層後,經由紫外線照射,會釋出活性氯原子,經過光與觸媒化學反應,能使臭氧分子轉化成氧分子,因此使之濃度降低,導致臭氧層破洞,使紫外線(UV-B)可直入地表,對人與生物造成威脅。

雖然高空大氣層中的臭氧減少 (good ozone 可防紫外線),但地球表面由於燃燒不完全的碳氫化合物,受陽光照射,與氮氧化物作用,生成臭氧 (bad ozone 會傷害人畜),造成地表空氣品質惡化,對人的眼與肺有不良影響,若是你使用影印機印文件,站在影印機旁,會聞到一股臭味,這就是因有臭氧產生。(註2)。

為了因應臭氧層破裂問題,1987年在加拿大蒙特婁,主要工業國就議定,要逐年降低氟氯碳化合物之使用與生產,在 2000年工業化國家,就全面禁產 CFC。經過二十年的努力,一些對臭氧較為友善的新冷媒被發展出來,取代了CFC等。最近幾年對大氣層的監測結果,也顯示在臭氧層內氟氯碳化合物並沒有繼續增多。照理來說,臭氧層可因此漸漸復生,人們的憂慮可以減少一點,誰知事與願違,臭氧層破洞情形並沒多少改善,為什麼?

這有兩個可能原因,一方面是因氟氯碳化合物在高空生命期相當長(1到100年),這些化合物經紫外光照射,可繼續促使臭氧分子變成氧分子(一個氯原子,少說可使十萬個臭氧分子解體);另一方面是其他化合物,如氮氧化物等,在高空也經由類似的光與觸媒反應,造成臭氧減少。2009 年,一篇在 Science 期刊發表的論文,就指出「笑氣」(laughing gas, N2O, 氧化亞氮),將會繼 CFC 後成為臭氧層最大殺手。

笑氣和氧氣混合可作為外科和牙科手術的麻醉劑,它也有其他工業用途,但使用量不大。大氣中的笑氣或氧化亞氮,部分來自農業用含氮肥料與畜牧業產生的廢物,另一部分來自河川、湖泊、與土壤,因微生物自然消解作用而釋出。此外,燃燒石化原料取得電力、動力,也是釋出氧化亞氮的主要源頭,早在1970年代,就有化學研究員注意到高空飛機排出的廢氣,會使臭氧解體。

在大氣層高空中,「笑氣」含量雖沒 CFC 多,可是有效生命期卻很長,而且,它吸收紅外線光的能力,比 CO2 要高出百倍,因此它除了能破解臭氧外,還是個「很有效」的溫室效應氣體。

要怎麼控制「笑氣」或其他氮氧化物 (NOx) 排放?這遠比控制 CFC 或 HCFC 為難,因為它的來源分散。汽車、飛機滿地跑、滿天飛,如何有效管制?全球大大小小的農地、牧場,要怎麼經濟有效的收集他們的廢氣與排泄物?那些來自河川水域、土壤的氮氧化物,多年來其釋出量原本穩定,但因大面積山林與土地開發,使得 N2O 及 NOx 釋出量增高,該如何限制?人們用電量年年上升,未來廿年能改變麼?...這都是眼下嚴峻的挑戰。

不論是 CFC、是 N2O,這些飛舞於大氣中的化學物,在一百年前都是少見的,可是如今卻成為問題,這顯示整個文明走向工商業化與都市化時,為滿足人愈來愈大的消費與能源「胃口」,竟給上帝美好的創造帶來極大破壞,這絕不是抹抹防曬油就能化解的。

有人說在上化學課時,用少許 N2O 作實驗,可給學生製造些笑果,藉此說明化學品的特性。但若是要認真解決它所造成的問題,這可就不是什麼好笑的事了。新的一年,我們可有何創見,來迎接挑戰?

圗與文//LYC 02-02-2011增修改寫

註:欲知空氣污染物的種類、來源、與影響可參考

1) http://are.berkeley.edu/courses/EEP101/spring03/AllThatSmog/; 2) US EPA網站http://www.epa.gov/oaqps001/urbanair/


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