佛罗里达大学环境工程科学系的 Jean M. Andino 回答说
“必须考虑两个问题:对流层(大气层的最底层)和上覆平流层之间混合的机制,以及 CFCs 在对流层中停留的平均时间,在这段时间内,化学过程会将它们从空气中清除。 广义而言,大气内部的混合是由温度差异和压力梯度引起的。 这些不规则性使得一些空气团具有浮力,从而导致污染物在整个大气层中传输。 如果温度和压力变化足够大,含有污染物的气团可以穿过对流层并进入平流层,就像热气球可以用来将人升到高空并从一个地方运送到另一个地方一样。 然而,只有当在污染物仍在对流层中时,没有主要的机制将其从空气中去除,污染物才能到达平流层。”
“一般来说,大气中去除化合物主要有两种机制:沉降和反应。 沉降的一个常见例子是“雨淋沉降”:溶于水的化合物可以通过降水从大气中去除。 这种现象是酸雨的原因。 排放到对流层中最丰富的 CFCs 是 CFC 11 和 CFC 12。 这些 CFCs 不溶于水,因此沉降不会将它们从空气中去除。”
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“从对流层中去除化合物的唯一另一种机制是与丰富的氧化剂反应——例如羟基自由基、臭氧或硝酸根自由基。 大气研究人员已经确定了几种 CFCs 与羟基自由基反应的速率; 这些 CFCs 相对于羟基自由基的寿命约为 80 年。 换句话说,如果羟基自由基是唯一与 CFCs 反应的东西,那么需要 80 年才能将它们从大气中完全去除。 这是一段很长的时间! 相比之下,甲醇(某些替代燃料的成分)相对于羟基自由基反应的寿命仅为 17 天。 臭氧和硝酸根自由基在分解 CFCs 方面效率更低。”
“由于 CFCs 在低层大气中寿命很长,因此它们有足够的时间和机会充分混合并最终到达平流层。”
加州大学尔湾分校的 F. Sherwood Rowland 因其在大气化学方面的工作而获得诺贝尔奖,他回答说
“这确实是一个长期存在的问题——以至于世界气象组织最近题为《1994 年臭氧损耗科学评估》的报告将其列入了一系列常见问题,这些问题一直被提出且早已得到解答。 美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 博尔德航空实验室的 Susan Solomon 和我在该文件中被列为臭氧常见问题协调员。 我们最初有 22 个问题之多,但后来精简为最常被问到的问题。”
“对这个特定问题的回答如下。”
氯氟烃 (CFCs) 如何才能到达平流层,如果
它们
比空气重?
尽管 CFC 分子确实比空气重几倍,
但来自气球、飞机和
卫星的数千次测量表明 CFCs 实际上存在于
平流层中。 大气不是静止的。 风将大气混合到
远高于平流层顶端的高度,速度比分子
根据其重量沉降的速度快得多。 诸如 CFCs 之类的气体不溶于
水,并且在低层大气(约 10
公里以下)中相对不活泼,它们会迅速混合,因此到达平流层,
而与其重量无关。从
测量的浓度随高度的变化中,可以了解到很多关于化合物在大气中的命运的信息。 例如,两种气体,
四氟化碳 (CF4,主要作为副产品生产
铝的制造)和 CFC-11 (CCl3F,用于
各种人类活动)都比空气重得多。 碳
四氟化碳在低层大气 99.9% 的部分中完全不活泼,
测量表明它几乎均匀分布在
整个大气层中,如图所示。 过去二十年中,也有
对几种其他完全
不活泼的气体进行了测量,一种比空气轻(氖),一些比空气重
(氩、氪),测量表明它们也向上均匀地混合穿过
平流层,而与其重量无关,正如在四氟化碳中观察到的那样。
CFC-11 在低层大气(约 15
公里以下)中也不活泼,并且在那里也类似地均匀混合,如图所示。 CFC-11 的丰度
随着气体到达更高的高度而降低,在那里它被分解
被高能太阳紫外线辐射分解。 从这种分解中释放出的氯
来自 CFC-11 和其他 CFCs 的分解产生的氯在平流层中停留数年,
在那里它会破坏数千个臭氧分子。
“1975 年,科罗拉多州博尔德的两个研究小组首次描述了对平流层中 CFC-11 的测量,此后也无数次观察到类似情况。 1980 年左右,从气球以及此后的多次测量中报告了 CF4 随高度的均匀混合情况,1985 年,从挑战者号航天飞机(1986 年爆炸)上的红外仪器也报告了这种情况。 我自己的研究小组在数百个在 NASA DC-8 飞机上飞行时填充的空气罐中测量了 CFC-11。 我们曾经在北极正上方进行过一次下降,发现低层大气中混合均匀,而平流层中的 CFC-11 略少。”