由北極“史上最強”臭氧洞說起

魏科

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

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

2020年3月，國際頂級學術刊物—《自然》雜志刊發《北極上空出現罕見臭氧洞—它實在太大了》一文，披露北極上空出現“史上最強”的臭氧洞。遺憾的是，這則消息尚未引起人們的關注，就被淹沒在新冠肺炎疫情的新聞洪流里了。

北極最強臭氧洞

與南極每年春季都會出現臭氧洞不同，北極臭氧洞的出現頻次非常少，基本上每10年才會有一次。北極上一次出現大規模臭氧洞的時間還是在2011年，當時曾引起廣泛關注，從國際頂級學術刊物—《自然》《科學》到街邊小報，都報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到了600多萬平方千米，其中滿足臭氧洞標準的面積超過100萬平方千米，成為史上最大的北極臭氧洞。這次臭氧洞的產生主要源自平流層極區異常強大的極渦，它隔絕了高中緯度間的熱量交換與空氣交換，致使極區在低溫環境里形成臭氧洞。不過，隨著春末極渦的分裂，北極臭氧洞也隨之消失。

一般而言，極區的臭氧總量超過300DU，當這一數值低于220DU時，即可以看作臭氧洞形成。

2019/2020年度

今年1月25—27日，北極極區的臭氧最小值達到187DU，只是持續時間比較短，區域范圍也很小，并沒有引起太大關注。進入3月份，北極上空強大的極渦始終維持不變，致使臭氧洞逐漸發展到了可觀的規模；尤其是在3月12日，臭氧洞中心的臭氧總量最小數值達到205DU，該數值也成為此次北極臭氧洞的臭氧最低值，創下了歷史新低。在本次臭氧洞發展的最鼎盛時期，臭氧低值區面積超過3個格陵蘭島面積，達到600多萬平方千米，臭氧洞面積達到100多萬平方千米。

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，持續了1個多月的平流層極渦—歷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出現，但北極很少出現臭氧洞？北極這次出現臭氧洞的原因是什么，又會產生什么影響呢？

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。沒錯，人類確實首先是在南極發現的臭氧洞。1984年，英國科學家法爾曼等人在南極的哈雷灣觀測站發現：1975—1984年，每到春天，南極上空平流層部分區域的臭氧濃度就會減少約50%，最高時減少90%。從地面上觀測，高空的臭氧層已極其稀薄，與周圍相比，像是形成了一個“洞”，直徑達上千千米。“臭氧洞”由此而得名。1985年5月，《自然》雜志發表了法爾曼等人的相關論文，引起轟動。

其實，法爾曼等人的論文并不是關于臭氧洞的最早研究成果。早在1984年9月，日本科學家中缽茂就以海報（poster）形式在希臘海其迪奇國際會議上介紹過日本昭和觀測站的臭氧觀測結果；只是他的研究成果在當時并未引起重視。

1985年，美國“雨云-7號”氣象衛星監測和證實了臭氧洞的存在。從那時起，每年的9、10月份，人們都可以觀測到南極臭氧洞的出現。1994年，南極臭氧洞中心數值達到創紀錄的92DU，不足正常值的1/3；2006年，南極臭氧洞面積達到了創紀錄的2700萬平方千米。

臭氧洞的發現成為當時最重要的國際環境危機，為解決這一問題，全球各國合作簽訂了《保護臭氧層維也納公約》（該公約簽訂于1985年3月）和《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》（簡稱為《蒙特利爾議定書》，簽訂于1987年9月），呼吁采取全球行動，共同應對臭氧損耗，逐步停止生產和使用損耗臭氧的氟利昂和哈龍類物質。

我國政府于1989年9月加入了《保護臭氧層維也納公約》，并于1991年6月加入《蒙特利爾議定書》。1993年1月，國務院批準實施《中國逐步淘汰消耗臭氧層物質國家方案》（簡稱《國家方案》），作為履行《蒙特利爾議定書》的行動綱領。《國家方案》規定，我國將在2010年1月1日實現“消耗臭氧層物質”（ODS）生產和消費的同步淘汰。2007年7月1日，我國宣布已經全面停止了氟利昂和哈龍兩類物質的生產和消費，提前兩年半實現規定目標。

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

緣何出現臭氧洞

低溫、太陽輻射和臭氧損耗物質的存在，是臭氧洞出現的必要條件。這樣的條件只出現在平流層極區。在我們頭頂10～50千米的平流層，冬季盛行西風，其中環繞北極的西風時速可達350千米以上（超強臺風17級風的時速約為210千米），環繞南極的西風時速甚至可以超過400千米。由于兩極各自的冬季沒有太陽照射，環繞極區的強大西風被稱作極夜急流。

在強大的繞極西風的作用下，極區與中緯度地區被隔離開來，不僅導致中緯度地區富含氧氣的空氣無法進入極區，而且使得中緯度的熱量同樣無法進入極區，由此形成了異常寒冷的平流層極區。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（主要是氯化氫HCl）吸收到顆粒的界面上，通過分解反應，釋放出活性氯。當早春來臨時，在太陽紫外線的照射下，氯原子會更容易分解出來，進而引發化學反應侵蝕臭氧層，形成臭氧損耗和臭氧洞現象。

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，不容易產生大尺度大氣波動（行星波），因而形成的極渦也不容易受到擾動破壞，所以南半球極夜急流里的低溫極區非常穩定。與之相反，北半球的中高緯度地形復雜，海陸對比明顯，容易發生各種尺度的擾動。因此，北半球極渦容易受波動影響而扭曲、變形或者偏心，從而導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境不易維持。

這兩種情況意味著，由于南半球的極渦非常穩定，因此每年都會在9、10月份形成嚴重的臭氧洞；而北半球的極渦變化較大，不易形成穩定的低溫區和極地平流層云，致使臭氧洞不易形成，或者即便形成了臭氧洞，其規模和維持度也遠不如南極。自2011年出現明顯的臭氧洞之后，直到2020年春季，北極才形成典型的臭氧洞。即使是這次被認為“史上最強大”的北極臭氧洞，其面積也僅有約100萬平方千米；而在2019年，南極的臭氧洞即便被認為是南極史上“最小”臭氧洞，其面積也在900萬平方千米以上，遠大于北極臭氧洞。更遑論南半球動輒2000萬平方千米的臭氧洞，遠不是北極臭氧洞所能比擬的，絕對是“小巫見大巫”。

換句話說，即使大氣中存在大量臭氧損耗物質，北極每年臭氧洞的大小和強度也有所不同。這主要是因為平流層的極渦強度存在著變化。在有些年份，極渦會更強一些，這些年份的臭氧損耗就會嚴重些，甚至出現臭氧洞；而在另外一些年份，極渦相對弱一些，這些年份的臭氧損耗就少很多。

平流層極渦強度和范圍的變化受多種因子的影響，除了大氣內部的復雜波動變化之外，熱帶海洋的熱力學狀況（厄爾尼諾或者拉尼娜現象）也是一個重要影響因子。一般而言，當熱帶東太平洋發生厄爾尼諾事件時，北極極渦偏弱；反之，當熱帶東太平洋發生拉尼娜事件時，北極極渦偏強。

另外一個影響極渦強度的因子是赤道平流層準兩年振蕩現象（QBO）。當熱帶平流層處于西風時，北極極渦偏強；反之，當熱帶平流層處于東風時，北極極渦偏弱，容易發生暴發性增溫。其他諸如北極海冰面積、歐亞大陸雪蓋和陸面過程、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雜。因此，如果討論某一年的極渦狀況，需要具體問題具體分析。

臭氧洞幾時恢復

盡管極渦強度變化會影響某一年臭氧洞的強度和大小，但未來臭氧洞的趨勢變化主要受大氣中臭氧損耗物質的數量影響。

《蒙特利爾議定書》簽署于1987年，在1989年1月1日生效。該議定書規定，發達國家在2000年全面停止生產和使用8種氟利昂和哈龍類物質，發展中國家的控制時間表比發達國家相應延遲10年。這份議定書得到了聯合國所有成員國的簽署和貫徹執行，這在人類歷史上是空前的。因此，聯合國前秘書長科菲·安南稱該協議為“可能的唯一最成功的國際協議”。不過，“病來如山倒，病去如抽絲”，人類近百年排放到大氣中的損耗臭氧的物質不僅數量巨大，而且其生命期長達50～100年，它們的減少將會極其緩慢。

2018年，聯合國環境署發布《2018年臭氧層損耗科學評估》報告，評估了有關臭氧的損耗問題。該報告指出，經過30年的努力，人類避免進入一個更嚴重的臭氧損耗危機；不過，要使南極臭氧恢復到20世紀80年代的水平，大概要到2060年之后，而要想恢復到20世紀60年代初的水平，則需要到2100年左右。

這注定是一場保護環境的長期戰爭。

臭氧的危害

科學研究表明，大氣中的臭氧每減少1%，照射到地面的紫外線就會增加2%。強烈的紫外線輻射會增加人類罹患皮膚癌、白內障等疾病的風險，可能造成免疫系統缺陷和發育停滯；還會使農作物大量減產，威脅某些魚類和海洋生物的生存。