第三节 汽车空调制冷剂对环境的影响

众所周知，地球是被一层稀薄的气体包裹着，这就是地球大气层，主要由氧气和氮气构成，还有一些稀有气体。其中，臭氧（O3）虽然在大气中的浓度很低，却能吸收太阳紫外线，调节地球气温。

适量的紫外线照射对人体健康是有益的。它能提高人体免疫能力，促进磷钙代谢，增强人体对环境污染物的抵抗力。但是人体长期反复照射过量紫外线将引起细胞内的DNA改变，使细胞的自身修复能力减弱，免疫机能减退，皮肤发生弹性组织变性、角质化，以致皮肤癌变。造成紫外线到达地面数量增加的直接原因就是臭氧层的耗减，通常认为臭氧浓度降低1%，紫外线辐射量就增加1.5%～2%。

1.大气层中臭氧的分布

自从发现南极上空的臭氧层出现空洞以来，人类就产生了关于自身健康后果和对环境的一些担心。“臭氧耗尽”以及“温室效应”带来的“全球变暖”已经吸引了媒体的广泛注意力，全世界对此给予了密切的关注。

臭氧（O3）是一种具有渗透性的、有刺激性气味，并令人产生兴奋作用的气体。臭氧由氧原子组成，但化学性质与一般的氧气不同。因此，它被称为氧分子的“同素异构体”。在浓度大时，臭氧被认为是一种有毒的气体。然而，臭氧层却保护着地球上的生命，使其不会受到紫外线辐射的损害。臭氧有一种刺鼻气味，许多人说它是令人讨厌之物。在高浓度时，臭氧呈淡蓝色，而氧气是无色无味的。臭氧（O3）是氧元素（O）的一种形式。每个臭氧分子含有三个原子，而正常的氧分子（O2）含有两个氧原子。

大气层向上延伸数百公里（km），如图1-17所示。厚度达11km左右的大气层的最低层叫做对流层。对流层以上到大约48km之间的部分叫平流层。平流层以上叫电离层。

大气层的臭氧约有90%存在于平流层中，主要分布在大气层高度15～35km之间。这与其他的大气层气体不同，因为其他的大气层气体大都集中在对流层中。在平流层中，即使臭氧最密集的部分，浓度也不超过0.001%。例如，如果大气层中的所有的臭氧都集聚在海平面上，也只能形成不到3mm厚的一层。大气层中含有臭氧约30亿t，这相当于地球上每人726kg。不过与大气层的总质量相比，臭氧量可以忽略不计。

图1-17 地球上大气层的分布

2.臭氧的形成与作用

臭氧是由放电作用而形成的。在平流层中，紫外线对氧的辐射作用能更频繁地形成臭氧。氧分子中的氧原子分离，分离出的原子再与其他氧分子结合，从而形成含三个氧原子的臭氧（O3）。

阳光对平流层臭氧的形成起关键作用，因此臭氧主要形成在赤道附近地区上空，因为这里太阳光辐射最强。在地球风的轻微循环作用下，臭氧再扩散到整个平流层。平流层臭氧浓度在全世界是不同的，赤道地区最低，靠近两极的南北纬度63°附近最高。

来自太阳的射线有不同的波长，范围从紫外线经过可见光到红外线。紫外线辐射对生物体非常有害，能引起晒斑、皮肤癌、眼病（包括白内障）、早期衰老和皮肤起皱。紫外线辐射还能破坏像海洋中的浮游生物这样的微生物，因而剥夺了生物体的某些天然食物，破坏了地球生态食物链。受到过多紫外线辐射，植物和农作物也会受到破坏。

具有破坏性的紫外线辐射由大气层中的臭氧所吸收，不会到达地球。臭氧层起到一个巨大遮阳屏或者一个遮光伞的作用，它将地球罩住，保护着生命，使其免受危险的紫外线辐射。臭氧的耗尽会使更多的紫外线照射到地球和生物体上。

3.臭氧层的破坏现状

大气中的臭氧含量仅一亿分之一，但在离地面20～30km的平流层中，存在着臭氧层，其中臭氧的含量占这一高度空气总量的十万分之一。臭氧层的臭氧含量虽然极其微少，却具有非常强烈的吸收紫外线的功能，可以吸收太阳光紫外线中对生物有害的部分（UV-B）。由于臭氧层有效地挡住了来自太阳紫外线的侵袭，才使得人类和地球上各种生命能够存在、繁衍和发展。

1985年，英国科学家观测到南极上空出现臭氧层空洞，并证实其同氟利昂（CFCs）分解产生的氯原子有直接关系。这一消息震惊了全世界。1994年，南极上空的臭氧层破坏面积已达2400万平方公里（km2），北半球上空的臭氧层比以往任何时候都薄，欧洲和北美上空的臭氧层平均减少了10%～15%，西伯利亚上空甚至减少了35%。科学家警告说，地球上臭氧层被破坏的程度远比一般人想象的要严重得多。

氟利昂等消耗臭氧物质是臭氧层破坏的元凶，氟利昂是20世纪20年代合成的，其化学性质稳定，不具有可燃性和毒性，被当做制冷剂、发泡剂和清洗剂，广泛用于家用电器、泡沫塑料、日用化学品、汽车、消防器材等领域。80年代后期，氟利昂的生产达到了高峰，产量达到了144万t。在对氟利昂实行控制之前，全世界向大气中排放的氟利昂已达到了2000万t。由于它们在大气中的平均寿命达数百年，所以排放的大部分仍留在大气层中，其中大部分仍然停留在对流层，一小部分升入平流层。在对流层相当稳定的氟利昂，在上升进入平流层后，在一定的气象条件下，会在强烈紫外线的作用下被分解，分解释放出的氯原子同臭氧会发生连锁反应，不断破坏臭氧分子。科学家估计一个氯原子可以破坏数万个臭氧分子。

4.大气臭氧层的破坏原理

汽车空调使人们享受到了适宜的车内环境，也给外界带来了负面影响，大气层中的氟利昂有30%来自汽车空调系统。空调使用的氟氯烷（又称氟利昂）类制冷剂R12中含有氯（Cl），而氯会与臭氧发生反应，使臭氧分解，一个氯分子会与臭氧分子发生一系列反应而使成千上万的臭氧分子分解，这种链式反应能持续几十年，甚至上百年，直至氯分子与其他物质直接合成化合物或氯分子沉降为止。

Cl+O3→O2+ClO ClO+O→O2+Cl

如此周而复始，结果一个氯分子就能破坏多达10万个臭氧分子，如图1-18所示。总的结果，可以用化学方程式表示为：

2O3→3O2

虽然反应中氟利昂分子所起的作用类似于催化剂，但由于其参加了反应过程，因而严格意义上不属于催化剂。

图1-18 R12对大气臭氧层的破坏机理

5.制冷剂和全球变暖

照射到地球表面的阳光以红外线辐射的形式被反射。然而，对流层中的微量气体，其中最重要的是CO2，又将这些波反射到地球表面。这会导致地球大气层升温，这种现象也就是我们通常所说的“全球变暖”。而CFC是造成微量气体浓度增加的罪魁祸首。1kg R12的温室效应相当于4000tCO2的温室效应。而R134a对全球变暖几乎没有什么影响，它的臭氧破坏系数为零，如图1-19所示。

6.蒙特利尔议定书

联合国环保组织1987年在加拿大蒙特利尔市召开会议，36个国家和10个国际组织共同签署了《关于消耗大气臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，我国于1992年正式宣布加入修订后的《蒙特利尔议定书》。协议规定：

（1）对于CFCs 发达国家，从1996年1月1日起完全停止生产和消费；发展中国家，最后停用日期是010年。

（2）对于HFCs 发达国家，从1996年起冻结生产量，2004年开始削减，2020年完全停用；发展中国家，从2016年开始冻结生产量，2040年完全停用。

图1-19 R12和R134a的破坏性