臭氧洞 為什么只有南極有

陸龍燁

臭氧層：地球之盾

臭氧是一種由3個氧原子組成、有特殊 “臭”味的氣體，主要分布在平流層，特別是在離地面20～30千米的臭氧層里濃度最大。臭氧是一種化學性質很不穩(wěn)定和氧化性很強的物質，它在平流層中的生成和分解與太陽輻射有密切關系。臭氧是一種痕量氣體，在大氣中含量很少。在標準情況下，如果把大氣柱中的臭氧全部收集起來，其全球平均累積厚度僅為3毫米左右，即只相當于兩枚5分硬幣的厚度。臭氧總量通常用多布森單位（DU）來度量，1個多布森單位指的是，標準狀況下臭氧累積厚度為0.01毫米，3毫米就是300 DU。

可別小看這區(qū)區(qū)的3毫米，就是這平均3毫米的臭氧層，大量吸收了來自太陽的紫外輻射，其中對生物特別有害的UV-B輻射大部分（95%）被吸收，對地球生態(tài)系統(tǒng)和大氣環(huán)境有重要影響?？梢孕蜗蟮卣f，臭氧層就是保護地球生命的盾牌。若沒有臭氧層，我們賴以生存的地球就會在對生物有致命殺傷的太陽紫外線面前毫無遮攔，其結果將是地球生靈的滅絕。

全球臭氧層的減薄也會對人類健康、地球生態(tài)平衡、近地面大氣環(huán)境等發(fā)生重大影響。臭氧每減少1%，皮膚癌發(fā)病率將增加2%～4%，白內(nèi)障患者將增加0.3%～0.6%；強烈的紫外線使農(nóng)作物和植物受到損害，使浮游生物，魚苗、蝦、蟹幼體和貝類大量死亡，甚至造成某些生物滅絕，進而影響全球生態(tài)平衡；臭氧層減薄使到達地面的紫外線增強，增強的紫外線使城市中汽車尾氣的氮氧化物分解，在近地面形成以臭氧為主要成分的光化學煙霧。此外，臭氧本身也是一種溫室氣體，其濃度及在大氣中分布的變化也會對地球大氣溫室效應發(fā)生影響。

在接近地面的對流層中，臭氧含量并不多，尤其是在近地面，臭氧是一種對生態(tài)系統(tǒng)有害的污染物。這就是說，在高空的平流層中，臭氧是“好”的；而在近地面的對流層中，臭氧是“壞”的。

年年不同的南極臭氧洞

20世紀70年代末以來，全球臭氧總量是下降的，尤其是在南極地區(qū)下降最明顯。80年代中期，日本和英國科學家先后發(fā)現(xiàn)，春季南極站觀測到的大氣臭氧總量值與10年前相比減少了30%～40%； 隨后美國科學家用衛(wèi)星資料也證實了這一結果。在春季，南極地區(qū)臭氧總量急劇減少，會出現(xiàn)低于全球平均值30～40%的閉合低值區(qū)，與周圍地區(qū)相比， 就顯得南極洲上空出現(xiàn)一個臭氧低值的“空洞”，這就是南極臭氧洞（圖1）。

南極臭氧洞并不是全年都存在的，只在南極春季出現(xiàn)。通常南極臭氧在7月下旬開始減少，8月中旬后就出現(xiàn)較為明顯的臭氧洞，9月下旬到10月上旬臭氧洞的面積最大，10月底后臭氧急劇增加， 臭氧洞逐漸填塞，12月中旬恢復正常，就不再有臭氧洞了（圖2）。

南極臭氧洞的強度和范圍時大時小，每年都是有變化的，“空洞”中的最低值也是波動的，并不像有的媒體所說的“日益加大”。1979年春季，南極地區(qū)剛出現(xiàn)臭氧洞時，范圍并不大，隨后臭氧洞的范圍逐年擴大；1988年后則稍有緩和；1990年以后，南極“臭氧洞”現(xiàn)象再次加劇，維持時間也加長（圖3）。2000年和2006年，南極臭氧洞最大時面積超過2900萬平方千米，差不多有三個中國那么大，占據(jù)了整個南極洲，其中心地區(qū)的臭氧總量與正常值相比耗損了70%左右；而在南極臭氧洞最小的2002年，臭氧洞的面積不到300萬平方千米，只有近10年來平均值的1/7。

臭氧洞是怎么來的

研究表明，南極臭氧洞是大氣動力、光化學和平流層冰晶云等因素相互作用和影響的產(chǎn)物；也與大氣環(huán)流，特別是平流層極地渦旋的活動密切相關。用大氣動力學、太陽活動及大氣化學等單個因素都無法圓滿地解釋南極臭氧洞形成的原因。

南極臭氧洞的出現(xiàn)與人類活動關系密切。為制造冰箱和空調器等，人類發(fā)明和使用了氟利昂和溴化烴等含氯和溴的化合物，正是這類污染物質最終導致了臭氧層的破壞，在南極地區(qū)的實地考察研究也找到了氯氟烴等物質消耗臭氧層的確鑿證據(jù)。人類活動排放到大氣中的氟利昂和溴化烴等含氯和溴的消耗臭氧層物質（ODS），在極地平流層低溫條件下形成的冰晶云（PSCs）或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，會通過光化學反應大量消耗臭氧，而為光化學反應提供活動界面的平流層冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠，只有在溫度低于-78℃時才出現(xiàn)。

因此，形成臭氧洞需要滿足2個條件：大氣中存在人類活動排放的氟利昂和溴化烴等消耗臭氧層物質（人為因素），是春季南極臭氧洞形成的一個必要條件；而春季南極平流層極地渦旋中較長時間的低溫（自然因素），則是南極春季臭氧洞形成的又一必要條件。只有同時滿足這兩個條件，在平流層極地渦旋中低溫（溫度低于-78℃）條件下形成的冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，吸附了大氣污染物質，才能在太陽光照耀下，激發(fā)氯和溴的活性，通過光化學反應大量消耗臭氧，在南極春季形成臭氧洞。

正是由于平流層溫度、極地渦旋強度和位置的變化，造成了2002年南極春季臭氧洞的異常偏?。ㄗ钚r只有同期平均面積的1/7）和各年南極臭氧洞強度和范圍的變化。在當前大氣環(huán)境被污染的情況下，極地大氣臭氧虧損的程度更多地將隨大氣環(huán)流，特別是極地渦旋中的低溫狀況而發(fā)生變化。其中，極夜結束后極渦中的持續(xù)低溫是南極臭氧洞形成的關鍵因素。

北極也很危險

近幾十年來，北極地區(qū)的臭氧也是減少的，但迄今為止，還未出現(xiàn)過像南極那樣的“臭氧洞”（圖4）。北極會不會出現(xiàn)“臭氧洞”也是大家十分關心的。

在任何一張全球臭氧分布圖上，我們都可以看到，既有高值區(qū)，也有低值區(qū)。臭氧洞有嚴格的科學定義，并不是所有的臭氧低值區(qū)都能稱為臭氧洞。

在南極春季出現(xiàn)的臭氧洞至少有3個特點：

①低值區(qū)的臭氧數(shù)值低，在220 DU以下；

②低值區(qū)范圍大，低于220 DU的范圍經(jīng)常超過百萬平方千米；

③低值持續(xù)時間長，常為2～4個月。

把220 DU，而不是諸如250 DU定為出現(xiàn)的臭氧洞的標準是因為：首先，220 DU接近低于全球平均值30%（26.7%）；再則，在北極秋天或赤道附近，偶爾也會出現(xiàn)由于動力等原因產(chǎn)生的低于250 DU的低值區(qū)，用250DU作為標準不合適。因此用220 DU作為是否出現(xiàn)臭氧洞的標準是科學的。endprint

北極更加接近人類活動的地區(qū)，北極大氣中污染物的濃度也比較高，與南半球相比污染更為嚴重，但是它不滿足，或很難滿足形成臭氧洞的平流層極渦中低溫的必要條件。南極地區(qū)是一塊由海洋包圍的冰雪大陸，而北極卻是一片由大陸包圍的冰雪海洋。海陸分布的差異，對氣候和大氣環(huán)流產(chǎn)生了很大影響。例如，全球最低氣溫出現(xiàn)在南極地區(qū)，且南極的最低氣溫至少比北極低20℃；在平流層極地渦旋中，南極的溫度也低于北極。雖然北極冬季平流層極地渦旋中的溫度也能低于-78℃，但在極夜過后的春季，北極平流層極地渦旋中的溫度大多在-78℃以上，在春季北極平流層中，很難滿足形成冰晶云的低溫條件。

1979年以來，只有2011年和1997年，由于北極極渦強、溫度特低，在極夜過后的春季，平流層極渦短暫（10～15天）保持了低于-78℃的低溫。2011年在北極地區(qū)，出現(xiàn)了虧損40%的異常低值中心，此時因化學原因產(chǎn)生的臭氧虧損量為160～200 DU，可與發(fā)生南極臭氧洞時的虧損量相比擬。雖此時北極平流層中大氣臭氧的化學虧損的數(shù)值也很大，但由于當?shù)卮杭敬髿獬粞跬ǔ?00 DU以上，本底值要比南極地區(qū)高100 DU；加之低溫持續(xù)時間短，在北極仍未出現(xiàn)低于220 DU的區(qū)域（圖5）。

雖然當前北極并未形成真正意義上的臭氧“空洞”，但是在1997年和2011年北極臭氧的化學虧損基本上達到了生成臭氧洞的邊緣，這引起大家的關注。如果由于氣候變化，使北極平流層溫度更低，時間持續(xù)更長，那么在極端情況下，出現(xiàn)北極臭氧洞的可能性也不能排除。

南極地區(qū)除考察隊員外，沒有常住居民；人類大多數(shù)居住在北半球，北極臭氧的減少對于人類的影響應該超過南極，人們對北極臭氧減少的擔憂也是理所當然的。對此關注是應該的，而恐懼則沒有必要。

全球合作保護臭氧

臭氧層的保護事關人類生存環(huán)境的安全，國際社會對此一直非常關注。早在20世紀70年代，科學家就發(fā)現(xiàn)大氣臭氧的含量有減少趨勢，引起了國際社會的密切關注。1978年《世界氣象組織宣言》針對人類活動對臭氧層的影響及可能的地球物理后果，明確指出，如果不減少進入大氣的氟利昂（CFCs）類物質的排放率， 將導致平流層臭氧顯著減少。從1985年的《維也納公約》到1987年的《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，越來越多的國家參與到保護臭氧層的工作中，保護臭氧層被稱為是迄今人類最為成功的全球性合作。

令人欣慰的是，由于國際社會的共同努力，特別是《蒙特利爾議定書》的執(zhí)行，目前大氣中消耗臭氧層物質增長的趨勢已被扼制，大氣中污染物質的濃度，包括氟利昂的濃度，無論在南極地區(qū)，還是在北極地區(qū)，增長的速度在減慢，目前基本上處于平穩(wěn)狀態(tài)，并開始慢慢下降。

作為發(fā)展中國家，近年來，我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，對使用消耗臭氧層物質的制成品需求也在日益增加。因此，在淘汰消耗臭氧層物質時，我國需要付出更大的努力，做出更大的犧牲。中國除了積極參與國際合作，采取切實措施逐步淘汰消耗臭氧層的物質外，我國還加強了對全球臭氧變化和南極臭氧洞的監(jiān)測和研究工作。目前，在我國大陸，有北京（香河）、昆明、青海（瓦里關山）、浙江（臨安）、黑龍江（龍鳳山）、拉薩6個站進行大氣臭氧監(jiān)測；在港臺地區(qū)有多個觀測站進行大氣臭氧監(jiān)測；而在南極，中山站的氣象考察人員也正在密切監(jiān)視著南極臭氧的變化情況（圖6）。endprint