特定氣候條件形成的催化反應
「氯貯存物質」與 催化反應
氟里昂進入平流層后在強烈的紫外輻射作用下，釋放出一個氯原子：CCl3F+hv→
CCl2F+Cl。這個釋放出的氯原子，用數(shù)個月的時間通過催化反應，就可以使10萬個臭氧分子消失。首先，氯與臭氧反應，生成氧化氯自由基：Cl+O3
→ClO+O2，自由基ClO非常活潑，與同樣活潑的氧原子反應，生成氯和穩(wěn)定的氧分子：ClO+O→Cl+O2。釋放出的氯原子又和臭氧產生反應，因此，氯原子一方面不斷消耗臭氧，另一方面卻又能在反應中不斷再生，形成催化反應。但是注意到，進入平流層還有其它微量氣體，例如甲烷（CH4）和二氧化氮（NO2），氯原子和它們分別作用產生氫氯酸（HCl）和硝酸氯（ClONO2）,這些物質化學性質不活潑，不會釋放出氯原子，稱為「氯貯存物質」，阻斷了氯原子再生功能，在臭氧分解反應方面氯原子不再具有催化功能。單純從化學的角度來看，氟里昂對臭氧的破壞有限。
既然，氟里昂在平流層可以形成「氯貯存物質」，為什么還有臭氧洞？
氟里昂主要由北半球工業(yè)化國家排出，北半球大氣中氟里昂濃度也高于南半球，那么至今最大的臭氧洞卻出現(xiàn)在南極而不是其它地方？
三水硝酸極地平流層云的形成和化學催化反應
平流層空氣極為干燥，相對濕度只有1%左右，幾乎沒有云、雨等天氣現(xiàn)象，但是在漫長的極地冬夜期間，仍會因嚴寒形成極地平流層云。
在南極的6月，極夜的冬季來臨，沒有太陽加熱，氣溫常會下降至-80℃左右，平流層的三水硝酸（NHO3·3H2O）在-78℃的條件下就會包圍住直徑約0.1微米的硫酸微粒，形成直徑約1微米的顆粒，但是顆粒細小，而且比較分散，常常大規(guī)模地生成，有時分布范圍可達數(shù)千公里，組成一種肉眼看不見的極地平流層云。
這些硫酸微粒部分起源于人類活動，有些則是天然的。例如1982年墨西哥艾爾奇肯火山爆發(fā)，把500萬噸左右的硫化物直接噴入平流層。
冬季極地氣溫繼續(xù)下降至-83℃以下，水汽就會附著在三水硝酸顆粒表面，凝結成冰粒。三水硝酸組成的極地平流層云就會繼續(xù)發(fā)展成另外兩種冰粒組成的極地平流層云。如果氣溫快速下降，冰粒直徑約為兩微米左右，密集分布，在陽光折射下，出現(xiàn)珍珠般光澤，這種極地平流層云因此稱為貝母云。如果氣溫緩慢下降，冰粒直徑大約為10微米，生成的冰粒密度較稀，這種平流層云不如貝母云明顯可見，肉眼勉強可見。
由三水硝酸、小冰粒、大冰粒組成的三種極地平流層云在南極比北極更常見，其中三水硝酸極地平流層云在南極最普遍。三水硝酸極地平流層云不僅把氯貯存物質吸收到顆粒的界面上，并且產生化學反應，釋放氯氣：ClONO2+HCl→Cl2+HNO3。一旦9月來臨，南極春季陽光普照，在短短幾個小時內，活潑的氯氣被分解成兩個氯原子：Cl2+hv→Cl+Cl。由于生成三水硝酸消耗大量的氮氧化物，并且三水硝酸極地平流層云的冰粒界面產生氫氯酸和硝酸氯的化學反應，既消耗氯貯存物質又消耗它的生成物質。氯原子和臭氧分子產生的氧化氯自由基沒有反應物，自行結合成二聚物ClOOCl，在紫外線照射下這個二聚物很快分解成兩個氯原子，再次開始分解臭氧的反應：
Cl+O3→ClO+O2
ClO+ClO→ClOOCl
ClOOCl+hv→Cl+ClOO
ClOO→Cl+O2
Cl+O3→ClO+O2
上述五個反應方程內，反應物和生成物等量相互置換的有：Cl、ClO、ClOOCl、ClOO，所以，凈反應方程是：O3+O3→3O2。
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臭氧分解催化反應示意圖 |
由此可見，在三水硝酸極地平流層云的環(huán)境內，氯原子才能取得催化者的角色，以不同的形式再參與不同的化學反應，一個氯原子最終破壞10萬個臭氧分子。
圖中不同顏色小球代表不同元素的原子，綠色代表氯原子，紫色代表碳原子，紅色代表氟原子，蘭色代表氧原子。
極地渦旋和極地平流層云的相互作用
圍繞極地旋轉的閉合風系，外觀上呈現(xiàn)出渦旋狀態(tài)叫做極地渦旋。每年大約5、6月間，在南極冬季開始的時候，強烈的冷氣團形成圍繞南極的閉合風系，出現(xiàn)極地渦旋。大約到11月，氣溫回升時，極地渦旋才會崩潰。
由于極地渦旋風速強勁，渦旋內部的空氣與外部大氣完全隔離，從低緯地區(qū)吹來的風，雖然向南極輸送大量溫暖富含臭氧的空氣，也無法進入渦旋內部，使氣溫上升，因此，渦旋內部氣溫只降不升，迅速達到極地平流層云的形成條件，臭氧分解。
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衛(wèi)星觀測的渦旋云系 |
臭氧一旦分解，停止吸收紫外線，渦旋內部空氣也就失去加熱的熱源，氣溫進一步下降，極地平流層云得到發(fā)展，同時強化了極地渦旋，使它保持穩(wěn)定狀態(tài)。
極地平流層云與極地渦旋的相互作用使雙方得到加強，科學家把這種相互作用稱為正反饋機制，使南極臭氧含量在每年大約10月達到最低點，之后，隨著溫度回升，渦旋瓦解，極地平流層云也隨之消融，南極臭氧量逐漸升高。
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