北極臭氧空洞

簡(jiǎn)菊芳

4 月初，歐洲空間局（ESA）稱，北極上空出現(xiàn)了 25 年來(lái)最大面積的臭氧層空洞?！蹲匀弧冯s志稱，2020 年北極上空臭氧含量創(chuàng)下歷史新低，將作為一種非凡的大氣現(xiàn)象載入史冊(cè)。隨著氣溫逐漸升高，4 月中下旬，北極臭氧空洞恢復(fù)。

臭氧層位于距離地球上空10 千米至50 千米的大氣層中，可有效阻擋來(lái)自太陽(yáng)的紫外線輻射，也被稱為地球保護(hù)層。如果某處臭氧層中臭氧含量減少到正常值的50%以下，科學(xué)家就稱之為臭氧洞。中國(guó)氣象科學(xué)研究院研究員陸龍驊解釋稱，臭氧洞是有嚴(yán)格科學(xué)定義的，至少應(yīng)具備臭氧低值在220DU 以下、臭氧低值區(qū)范圍超過(guò)百萬(wàn)平方千米、臭氧低值區(qū)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（2-4個(gè)月）等條件。

以南極為例，冬季（8 月-10 月）由于沒(méi)有熱能或熱能很弱，氣溫穩(wěn)定下降，上層大氣變冷。此時(shí)，被稱為極地渦旋的環(huán)極氣流將南極大陸上空的冷氣團(tuán)圍住形成渦旋，這個(gè)渦旋就像一個(gè)“絕緣體”，可隔絕內(nèi)部空氣與外部大氣。

南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授楊洋解釋說(shuō)，當(dāng)渦旋內(nèi)氣溫下降到-80℃時(shí)，內(nèi)部形成極地平流層云，平時(shí)不算活躍的氯原子在極地平流層云晶體表面發(fā)生非均相化學(xué)反應(yīng)，釋放出活性形式的氯原子，加上可見(jiàn)光和紫外光的推波助瀾，分解出破壞臭氧的游離態(tài)氯原子，從而使該區(qū)域臭氧遭受到大幅度破壞而形成臭氧洞。同理，含溴化合物也在低溫的催化下破壞臭氧層。

臭氧層破壞需要有極地平流云的形成和非均相化學(xué)反應(yīng)兩個(gè)條件。也就是說(shuō)，大氣環(huán)流對(duì)臭氧洞的影響是動(dòng)力性的，極地渦旋為南北極春季臭氧洞的形成提供了封閉的動(dòng)力環(huán)境。首先極地渦旋要隔絕內(nèi)外溫度，使其內(nèi)部氣溫保持在-80℃以下;其次就是極地平流層云上發(fā)生的非均相化學(xué)反應(yīng)，釋放出活性氯原子從而破壞臭氧層。此外，人類活動(dòng)釋放氟利昂、甲基溴等物質(zhì)也是臭氧層破壞的一個(gè)因素，引起了國(guó)際范圍的關(guān)注和行動(dòng)。

自上世紀(jì)80 年代南極臭氧洞發(fā)現(xiàn)以來(lái)，每年春季南極地區(qū)都會(huì)出現(xiàn)臭氧洞，而北極極少出現(xiàn)。這是因?yàn)楸卑肭虻匦巫兓叨却?，且風(fēng)場(chǎng)是經(jīng)向的（沿著經(jīng)度線移動(dòng)），因此，赤道與極地的空氣混合較好，這導(dǎo)致北極冬季氣溫總體上比南極高10℃左右。

實(shí)際上，在正常情況下，北極圈內(nèi)溫度通常高于-80℃，不易形成極地平流層云。另外，北極的“高溫”也容易破壞極地渦旋，較難催化出破壞臭氧層的活性氯原子。所以，北極的臭氧損耗雖然也比較嚴(yán)重，但還沒(méi)有達(dá)到“臭氧洞”的程度。

觀測(cè)數(shù)據(jù)也可以佐證，春季北極臭氧總量多維持在400DU～500DU 的高值區(qū)，只有1997年、2011年和2020年情況特殊，由于春季平流層極地渦旋中溫度異常偏低，出現(xiàn)了北極地區(qū)大氣臭氧總量的異常低值。北極臭氧損耗多發(fā)生在冬春季（12 月至次年2 月）溫度較低的時(shí)間，其他季節(jié)不會(huì)出現(xiàn)臭氧空洞。北極臭氧損耗持續(xù)時(shí)間也取決于溫度回暖的時(shí)間，一般冬季的中期北極就開(kāi)始變暖，臭氧層逐漸恢復(fù)。但是2020年北極氣溫偏低，極地渦旋極強(qiáng)，導(dǎo)致這次北極臭氧空洞持續(xù)時(shí)間較往年偏長(zhǎng)，直至4月下旬才恢復(fù)。

北極臭氧損耗的現(xiàn)象沒(méi)有南極嚴(yán)重，原因在于這兩個(gè)極地大氣環(huán)流型不同，平流層的氣候不同。北半球地形大尺度變化，陸地、海洋溫差大，經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)使赤道與北極的空氣混合較好，富含臭氧的空氣從赤道向極地輸送。因此，北極的極地渦旋不像南極那樣與外部空氣隔絕。南極則正相反，溫度低，與赤道的空氣混合弱，很難得到赤道富含臭氧空氣的補(bǔ)給。

雖然冷空氣是北極臭氧損耗形成的重要推手，但是，卻不是直接“元兇”，它只是一劑極地平流層云形成的催化劑，而極地平流層云上發(fā)生的非均相化學(xué)反應(yīng)釋放出的氯原子才是直接造成臭氧消耗的“殺手”。臭氧空洞形成需要?dú)庀笠蛩睾突瘜W(xué)反應(yīng)，因此，衡量平流層臭氧的變化需要綜合考慮。另外，極地渦旋和冷空氣的強(qiáng)弱主要取決于地球內(nèi)部震蕩過(guò)程，其冷暖切換隨著震蕩而隨機(jī)變化，這是人類很難把握的自然因素。

但是，人為破壞依然是一個(gè)重要的因素。陸龍驊表示，人類活動(dòng)排放含氯和溴污染物也是極地臭氧損耗和臭氧洞形成的條件之一;在目前大氣環(huán)境情況下，南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞是否出現(xiàn)，取決于南、北極春季平流層極渦及其氣溫變化。1989 年，蒙特利爾議定書(shū)生效之后，在全球行動(dòng)下，南極臭氧層逐漸恢復(fù);2019年，南極臭氧洞為自蒙特利爾議定書(shū)簽訂之后最小的一年。從化學(xué)物種上來(lái)說(shuō)，當(dāng)蒙特利爾議定書(shū)中受控的氟利昂和哈龍相繼淘汰后，甲基溴就成為比較重要的消耗臭氧物質(zhì)，這種物質(zhì)一部分來(lái)自人為排放，例如農(nóng)業(yè)和生物質(zhì)燃燒，一部分來(lái)自自然源。目前，全球正在從觀測(cè)角度找到部分不確定排放源，同時(shí)也在積極淘汰臭氧層破壞物質(zhì)。

楊洋表示，盡管目前科學(xué)界尚無(wú)明確證據(jù)表明氣候變暖對(duì)其產(chǎn)生的影響，但在氣候變化的大背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生頻次增多、強(qiáng)度更強(qiáng)，這或許也是導(dǎo)致極地臭氧層遭到破壞的因素之一。

◎ 來(lái)源|中國(guó)氣象報(bào)