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科學講堂:氧分子離離合合漫遊各「圈」

2016-11-16
■水中的浮游生物進行光合作用,可增加氧氣。   網上圖片■水中的浮游生物進行光合作用,可增加氧氣。 網上圖片

「光解」往來臭氧層 海水岩石圈皆見「芳蹤」

氧是地球上生命重要的元素,它於大氣層、生物圈、海洋及地殼表面不斷被使用及創造,這些過程一起構成氧循環。

臭氧循環吸紫外線

大氣層是地球上最大的氧氣儲存區之一,約20%為氧。平流層(stratosphere)中,一個氧分子(O2)被太陽的紫外(UV)輻射分解成兩個游離氧(O),這稱為光解作用(photolysis)。該游離氧(O)與空氣中的氧分子(O2)重組以產生臭氧(ozone,O3),簡單來想,就是把3個氧分子,變成兩個臭氧(右圖)。

臭氧(O3)亦會進行光解作用,吸收紫外線,並分解成氧分子(O2)。這樣循環不斷,氧分子(O2)被光解成臭氧(O3),臭氧(O3)再被光解成氧分子(O2),稱為臭氧循環。

這個循環對地球十分重要,因為它不斷吸收紫外線,故有助於阻隔地球與大多數有害的紫外線輻射,使其到達地球表面之前變成無害的熱量。

氧分子可以吸收大氣中幾乎所有波長(wavelength)為10納米至200納米的輻射 。

雪種有毒 代替品CFC更毒損臭氧層

上世紀20年代,氨(ammonia)及二氧化硫(sulphur dioxide)被用作雪櫃中的冷凍劑,即「雪種」,因為當時的雪種均易燃或有毒,科學家改為使用氯氟碳化合物CFC-11(化學式為CFCl3)及CFC-12(化學式為CF2Cl2)。

直至20世紀末,科學家才意識到氯氟碳化合物(CFC)的害處:CFC的活潑性低,生物降解度亦低,而且不溶於水,故此它們很難被分解;而在紫外線分解下,它們會釋出氯自由基(chlorine radical),破壞臭氧層。當中隨便一個氯原子,數個月內就可以破壞近十萬個臭氧分子,嚴重影響紫外線輻射的吸收。人類直接大量曝露於紫外線輻射下,會引致皮膚癌,於是自1996年起,氯氟碳化合物正式被禁止生產。

氧循環與碳循環互相連繫

氧是人體最常見的元素,佔人體質量的65%左右,大多數以水(H2O)的形式存在。光合作用(photosynthesis)中,植物吸入二氧化碳,並將氧釋放到大氣中,製造食物;而動物細胞則進行有氧呼吸(respiration),吸入氧氣,呼出二氧化碳,同時產生能量。

由此可見,氧氣在生物圈與大氣層中不斷交換,同時亦可見氧循環與碳循環互相連繫。

鹽度溫度決定海水中氧濃度

水中的氧濃度取決於水的溫度,例如在0℃的純水中,氧飽和度較在25℃時高1.67倍。另外,其他溶質(solutes)也會降低氧的溶解度。例如在正常的海水鹽度下,氧飽和度降低約25%。水中浮游生物(plankton)進行光合作用,可增加氧氣。當海水中氧氣過分飽和,氧氣會被釋放至大氣;相反,海洋生物的有氧呼吸(aerobic respiration)活動可消耗水中的氧。

岩石圈內的氧屬化合物

地球上最大的氧儲存層是岩石圈,岩石圈內的氧不是氣體,而是化合物的一部分,例如矽酸鹽 (silicates)和氧化物(oxides)。

小 結

地球作為一個擁有多樣生物的行星,其關鍵特徵之一是大氣中存在自由氧分子。 生物、化學和物理過程在地球表面上相互作用,以決定氧氣的濃度及分佈變化。 ■吳俊熙博士

作者簡介:畢業於加州大學洛杉磯分校(UCLA),曾任教於加州的州立大學及香港大學,現於洛杉磯Pierce College化學系任助理教授。讀者可通過www.facebook.com/drbennyng聯繫作者。

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