由北極“史上最強(qiáng)”臭氧洞說(shuō)起

魏科

臭氧層位于地面以上15～35千米的大氣層中，它能有效阻擋來(lái)自太陽(yáng)的紫外線輻射，給地球上包括人類在內(nèi)的生物提供保護(hù)，是地球的保護(hù)層。

在地球表面，臭氧層并不是均勻分布的，而是會(huì)隨著季節(jié)發(fā)生變化。如果某處臭氧層中的臭氧含量減少到某一數(shù)值，比如220 DU（多布森單位，用來(lái)度量大氣中臭氧柱尺度的單位，它等于在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下千分之一厘米臭氧層的厚度）以下，科學(xué)家們會(huì)形象地稱之為“臭氧洞”。世界的“三極”地區(qū)，即南極、北極和青藏高原上空是最容易發(fā)生臭氧層變稀薄的地區(qū)，南極更是臭氧洞頻繁光顧的區(qū)域。

2020年3月，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物—《自然》雜志刊發(fā)《北極上空出現(xiàn)罕見(jiàn)臭氧洞—它實(shí)在太大了》一文，披露北極上空出現(xiàn)“史上最強(qiáng)”的臭氧洞。遺憾的是，這則消息尚未引起人們的關(guān)注，就被淹沒(méi)在新冠肺炎疫情的新聞洪流里了。

北極最強(qiáng)臭氧洞

與南極每年春季都會(huì)出現(xiàn)臭氧洞不同，北極臭氧洞的出現(xiàn)頻次非常少，基本上每10年才會(huì)有一次。北極上一次出現(xiàn)大規(guī)模臭氧洞的時(shí)間還是在2011年，當(dāng)時(shí)曾引起廣泛關(guān)注，從國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物—《自然》《科學(xué)》到街邊小報(bào)，都報(bào)道了此次北極臭氧洞事件。

今年春季，北極上空的臭氧減少面積達(dá)到了600多萬(wàn)平方千米，其中滿足臭氧洞標(biāo)準(zhǔn)的面積超過(guò)100萬(wàn)平方千米，成為史上最大的北極臭氧洞。這次臭氧洞的產(chǎn)生主要源自平流層極區(qū)異常強(qiáng)大的極渦，它隔絕了高中緯度間的熱量交換與空氣交換，致使極區(qū)在低溫環(huán)境里形成臭氧洞。不過(guò)，隨著春末極渦的分裂，北極臭氧洞也隨之消失。

一般而言，極區(qū)的臭氧總量超過(guò)300DU，當(dāng)這一數(shù)值低于220DU時(shí)，即可以看作臭氧洞形成。

2019/2020年度

今年1月25—27日，北極極區(qū)的臭氧最小值達(dá)到187DU，只是持續(xù)時(shí)間比較短，區(qū)域范圍也很小，并沒(méi)有引起太大關(guān)注。進(jìn)入3月份，北極上空強(qiáng)大的極渦始終維持不變，致使臭氧洞逐漸發(fā)展到了可觀的規(guī)模；尤其是在3月12日，臭氧洞中心的臭氧總量最小數(shù)值達(dá)到205DU，該數(shù)值也成為此次北極臭氧洞的臭氧最低值，創(chuàng)下了歷史新低。在本次臭氧洞發(fā)展的最鼎盛時(shí)期，臭氧低值區(qū)面積超過(guò)3個(gè)格陵蘭島面積，達(dá)到600多萬(wàn)平方千米，臭氧洞面積達(dá)到100多萬(wàn)平方千米。

4月下旬，隨著平流層極渦的分裂，富含臭氧的中緯度空氣大量涌入極區(qū)，持續(xù)了1個(gè)多月的平流層極渦—?dú)v史上最大的北極極渦—隨之消失。

為什么南極的臭氧洞每年都會(huì)出現(xiàn)，但北極很少出現(xiàn)臭氧洞？北極這次出現(xiàn)臭氧洞的原因是什么，又會(huì)產(chǎn)生什么影響呢？

臭氧洞不只南極有

一提到臭氧洞，大家首先想到的就是南極臭氧洞。沒(méi)錯(cuò)，人類確實(shí)首先是在南極發(fā)現(xiàn)的臭氧洞。1984年，英國(guó)科學(xué)家法爾曼等人在南極的哈雷灣觀測(cè)站發(fā)現(xiàn)：1975—1984年，每到春天，南極上空平流層部分區(qū)域的臭氧濃度就會(huì)減少約50%，最高時(shí)減少90%。從地面上觀測(cè)，高空的臭氧層已極其稀薄，與周圍相比，像是形成了一個(gè)“洞”，直徑達(dá)上千千米?！俺粞醵础庇纱硕妹?。1985年5月，《自然》雜志發(fā)表了法爾曼等人的相關(guān)論文，引起轟動(dòng)。

其實(shí)，法爾曼等人的論文并不是關(guān)于臭氧洞的最早研究成果。早在1984年9月，日本科學(xué)家中缽茂就以海報(bào)（poster）形式在希臘海其迪奇國(guó)際會(huì)議上介紹過(guò)日本昭和觀測(cè)站的臭氧觀測(cè)結(jié)果；只是他的研究成果在當(dāng)時(shí)并未引起重視。

1985年，美國(guó)“雨云-7號(hào)”氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和證實(shí)了臭氧洞的存在。從那時(shí)起，每年的9、10月份，人們都可以觀測(cè)到南極臭氧洞的出現(xiàn)。1994年，南極臭氧洞中心數(shù)值達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的92DU，不足正常值的1/3；2006年，南極臭氧洞面積達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的2700萬(wàn)平方千米。

臭氧洞的發(fā)現(xiàn)成為當(dāng)時(shí)最重要的國(guó)際環(huán)境危機(jī)，為解決這一問(wèn)題，全球各國(guó)合作簽訂了《保護(hù)臭氧層維也納公約》（該公約簽訂于1985年3月）和《蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書(shū)》（簡(jiǎn)稱為《蒙特利爾議定書(shū)》，簽訂于1987年9月），呼吁采取全球行動(dòng)，共同應(yīng)對(duì)臭氧損耗，逐步停止生產(chǎn)和使用損耗臭氧的氟利昂和哈龍類物質(zhì)。

我國(guó)政府于1989年9月加入了《保護(hù)臭氧層維也納公約》，并于1991年6月加入《蒙特利爾議定書(shū)》。1993年1月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《中國(guó)逐步淘汰消耗臭氧層物質(zhì)國(guó)家方案》（簡(jiǎn)稱《國(guó)家方案》），作為履行《蒙特利爾議定書(shū)》的行動(dòng)綱領(lǐng)?！秶?guó)家方案》規(guī)定，我國(guó)將在2010年1月1日實(shí)現(xiàn)“消耗臭氧層物質(zhì)”（ODS）生產(chǎn)和消費(fèi)的同步淘汰。2007年7月1日，我國(guó)宣布已經(jīng)全面停止了氟利昂和哈龍兩類物質(zhì)的生產(chǎn)和消費(fèi)，提前兩年半實(shí)現(xiàn)規(guī)定目標(biāo)。

盡管臭氧洞主要出現(xiàn)在南半球；但如文章開(kāi)頭提到的，北半球也可能出現(xiàn)臭氧洞事件，歷史上，北極在1997年和2011年都出現(xiàn)了較大規(guī)模的臭氧洞。

緣何出現(xiàn)臭氧洞

低溫、太陽(yáng)輻射和臭氧損耗物質(zhì)的存在，是臭氧洞出現(xiàn)的必要條件。這樣的條件只出現(xiàn)在平流層極區(qū)。在我們頭頂10～50千米的平流層，冬季盛行西風(fēng)，其中環(huán)繞北極的西風(fēng)時(shí)速可達(dá)350千米以上（超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)17級(jí)風(fēng)的時(shí)速約為210千米），環(huán)繞南極的西風(fēng)時(shí)速甚至可以超過(guò)400千米。由于兩極各自的冬季沒(méi)有太陽(yáng)照射，環(huán)繞極區(qū)的強(qiáng)大西風(fēng)被稱作極夜急流。

在強(qiáng)大的繞極西風(fēng)的作用下，極區(qū)與中緯度地區(qū)被隔離開(kāi)來(lái)，不僅導(dǎo)致中緯度地區(qū)富含氧氣的空氣無(wú)法進(jìn)入極區(qū)，而且使得中緯度的熱量同樣無(wú)法進(jìn)入極區(qū)，由此形成了異常寒冷的平流層極區(qū)。正常情況下，南半球冬春季（6～10月）的南極平流層最低溫度可以達(dá)到-130℃，北極隆冬（12月、1月、2月）的最低溫度也可以低于-80℃。

在極低溫條件下，可以形成極地平流層云。它與近地面的云差別很大，包含了冰晶、水合硝酸（硝酸三水合物）和水合硫酸。極地平流層云的存在，可以把氯貯存物質(zhì)（主要是氯化氫HCl）吸收到顆粒的界面上，通過(guò)分解反應(yīng)，釋放出活性氯。當(dāng)早春來(lái)臨時(shí)，在太陽(yáng)紫外線的照射下，氯原子會(huì)更容易分解出來(lái)，進(jìn)而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)侵蝕臭氧層，形成臭氧損耗和臭氧洞現(xiàn)象。

南北半球相比，南半球的中高緯度以海洋為主，地面均一度比較好，不容易產(chǎn)生大尺度大氣波動(dòng)（行星波），因而形成的極渦也不容易受到擾動(dòng)破壞，所以南半球極夜急流里的低溫極區(qū)非常穩(wěn)定。與之相反，北半球的中高緯度地形復(fù)雜，海陸對(duì)比明顯，容易發(fā)生各種尺度的擾動(dòng)。因此，北半球極渦容易受波動(dòng)影響而扭曲、變形或者偏心，從而導(dǎo)致極夜急流所形成的極渦極易遭到破壞，所以北半球的極低溫環(huán)境不易維持。

這兩種情況意味著，由于南半球的極渦非常穩(wěn)定，因此每年都會(huì)在9、10月份形成嚴(yán)重的臭氧洞；而北半球的極渦變化較大，不易形成穩(wěn)定的低溫區(qū)和極地平流層云，致使臭氧洞不易形成，或者即便形成了臭氧洞，其規(guī)模和維持度也遠(yuǎn)不如南極。自2011年出現(xiàn)明顯的臭氧洞之后，直到2020年春季，北極才形成典型的臭氧洞。即使是這次被認(rèn)為“史上最強(qiáng)大”的北極臭氧洞，其面積也僅有約100萬(wàn)平方千米；而在2019年，南極的臭氧洞即便被認(rèn)為是南極史上“最小”臭氧洞，其面積也在900萬(wàn)平方千米以上，遠(yuǎn)大于北極臭氧洞。更遑論南半球動(dòng)輒2000萬(wàn)平方千米的臭氧洞，遠(yuǎn)不是北極臭氧洞所能比擬的，絕對(duì)是“小巫見(jiàn)大巫”。

換句話說(shuō)，即使大氣中存在大量臭氧損耗物質(zhì)，北極每年臭氧洞的大小和強(qiáng)度也有所不同。這主要是因?yàn)槠搅鲗拥臉O渦強(qiáng)度存在著變化。在有些年份，極渦會(huì)更強(qiáng)一些，這些年份的臭氧損耗就會(huì)嚴(yán)重些，甚至出現(xiàn)臭氧洞；而在另外一些年份，極渦相對(duì)弱一些，這些年份的臭氧損耗就少很多。

平流層極渦強(qiáng)度和范圍的變化受多種因子的影響，除了大氣內(nèi)部的復(fù)雜波動(dòng)變化之外，熱帶海洋的熱力學(xué)狀況（厄爾尼諾或者拉尼娜現(xiàn)象）也是一個(gè)重要影響因子。一般而言，當(dāng)熱帶東太平洋發(fā)生厄爾尼諾事件時(shí)，北極極渦偏弱；反之，當(dāng)熱帶東太平洋發(fā)生拉尼娜事件時(shí)，北極極渦偏強(qiáng)。

另外一個(gè)影響極渦強(qiáng)度的因子是赤道平流層準(zhǔn)兩年振蕩現(xiàn)象（QBO）。當(dāng)熱帶平流層處于西風(fēng)時(shí)，北極極渦偏強(qiáng)；反之，當(dāng)熱帶平流層處于東風(fēng)時(shí)，北極極渦偏弱，容易發(fā)生暴發(fā)性增溫。其他諸如北極海冰面積、歐亞大陸雪蓋和陸面過(guò)程、北大西洋海洋熱力狀況等，也都可以影響極渦的變化。影響因子越多，極渦的變化特征就更為復(fù)雜。因此，如果討論某一年的極渦狀況，需要具體問(wèn)題具體分析。

臭氧洞幾時(shí)恢復(fù)

盡管極渦強(qiáng)度變化會(huì)影響某一年臭氧洞的強(qiáng)度和大小，但未來(lái)臭氧洞的趨勢(shì)變化主要受大氣中臭氧損耗物質(zhì)的數(shù)量影響。

《蒙特利爾議定書(shū)》簽署于1987年，在1989年1月1日生效。該議定書(shū)規(guī)定，發(fā)達(dá)國(guó)家在2000年全面停止生產(chǎn)和使用8種氟利昂和哈龍類物質(zhì)，發(fā)展中國(guó)家的控制時(shí)間表比發(fā)達(dá)國(guó)家相應(yīng)延遲10年。這份議定書(shū)得到了聯(lián)合國(guó)所有成員國(guó)的簽署和貫徹執(zhí)行，這在人類歷史上是空前的。因此，聯(lián)合國(guó)前秘書(shū)長(zhǎng)科菲·安南稱該協(xié)議為“可能的唯一最成功的國(guó)際協(xié)議”。不過(guò)，“病來(lái)如山倒，病去如抽絲”，人類近百年排放到大氣中的損耗臭氧的物質(zhì)不僅數(shù)量巨大，而且其生命期長(zhǎng)達(dá)50～100年，它們的減少將會(huì)極其緩慢。

2018年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署發(fā)布《2018年臭氧層損耗科學(xué)評(píng)估》報(bào)告，評(píng)估了有關(guān)臭氧的損耗問(wèn)題。該報(bào)告指出，經(jīng)過(guò)30年的努力，人類避免進(jìn)入一個(gè)更嚴(yán)重的臭氧損耗危機(jī)；不過(guò)，要使南極臭氧恢復(fù)到20世紀(jì)80年代的水平，大概要到2060年之后，而要想恢復(fù)到20世紀(jì)60年代初的水平，則需要到2100年左右。

這注定是一場(chǎng)保護(hù)環(huán)境的長(zhǎng)期戰(zhàn)爭(zhēng)。

臭氧的危害

科學(xué)研究表明，大氣中的臭氧每減少1%，照射到地面的紫外線就會(huì)增加2%。強(qiáng)烈的紫外線輻射會(huì)增加人類罹患皮膚癌、白內(nèi)障等疾病的風(fēng)險(xiǎn)，可能造成免疫系統(tǒng)缺陷和發(fā)育停滯；還會(huì)使農(nóng)作物大量減產(chǎn)，威脅某些魚(yú)類和海洋生物的生存。