由北极“史上最强”臭氧洞说起

魏科

臭氧層位于地面以上15～35千米的大气层中，它能有效阻挡来自太阳的紫外线辐射，给地球上包括人类在内的生物提供保护，是地球的保护层。

在地球表面，臭氧层并不是均匀分布的，而是会随着季节发生变化。如果某处臭氧层中的臭氧含量减少到某一数值，比如220 DU（多布森单位，用来度量大气中臭氧柱尺度的单位，它等于在标准大气状态下千分之一厘米臭氧层的厚度）以下，科学家们会形象地称之为“臭氧洞”。世界的“三极”地区，即南极、北极和青藏高原上空是最容易发生臭氧层变稀薄的地区，南极更是臭氧洞频繁光顾的区域。

2020年3月，国际顶级学术刊物—《自然》杂志刊发《北极上空出现罕见臭氧洞—它实在太大了》一文，披露北极上空出现“史上最强”的臭氧洞。遗憾的是，这则消息尚未引起人们的关注，就被淹没在新冠肺炎疫情的新闻洪流里了。

北极最强臭氧洞

与南极每年春季都会出现臭氧洞不同，北极臭氧洞的出现频次非常少，基本上每10年才会有一次。北极上一次出现大规模臭氧洞的时间还是在2011年，当时曾引起广泛关注，从国际顶级学术刊物—《自然》《科学》到街边小报，都报道了此次北极臭氧洞事件。

今年春季，北极上空的臭氧减少面积达到了600多万平方千米，其中满足臭氧洞标准的面积超过100万平方千米，成为史上最大的北极臭氧洞。这次臭氧洞的产生主要源自平流层极区异常强大的极涡，它隔绝了高中纬度间的热量交换与空气交换，致使极区在低温环境里形成臭氧洞。不过，随着春末极涡的分裂，北极臭氧洞也随之消失。

一般而言，极区的臭氧总量超过300DU，当这一数值低于220DU时，即可以看作臭氧洞形成。

2019/2020年度

今年1月25—27日，北极极区的臭氧最小值达到187DU，只是持续时间比较短，区域范围也很小，并没有引起太大关注。进入3月份，北极上空强大的极涡始终维持不变，致使臭氧洞逐渐发展到了可观的规模；尤其是在3月12日，臭氧洞中心的臭氧总量最小数值达到205DU，该数值也成为此次北极臭氧洞的臭氧最低值，创下了历史新低。在本次臭氧洞发展的最鼎盛时期，臭氧低值区面积超过3个格陵兰岛面积，达到600多万平方千米，臭氧洞面积达到100多万平方千米。

4月下旬，随着平流层极涡的分裂，富含臭氧的中纬度空气大量涌入极区，持续了1个多月的平流层极涡—历史上最大的北极极涡—随之消失。

为什么南极的臭氧洞每年都会出现，但北极很少出现臭氧洞？北极这次出现臭氧洞的原因是什么，又会产生什么影响呢？

臭氧洞不只南极有

一提到臭氧洞，大家首先想到的就是南极臭氧洞。没错，人类确实首先是在南极发现的臭氧洞。1984年，英国科学家法尔曼等人在南极的哈雷湾观测站发现：1975—1984年，每到春天，南极上空平流层部分区域的臭氧浓度就会减少约50%，最高时减少90%。从地面上观测，高空的臭氧层已极其稀薄，与周围相比，像是形成了一个“洞”，直径达上千千米。“臭氧洞”由此而得名。1985年5月，《自然》杂志发表了法尔曼等人的相关论文，引起轰动。

其实，法尔曼等人的论文并不是关于臭氧洞的最早研究成果。早在1984年9月，日本科学家中钵茂就以海报（poster）形式在希腊海其迪奇国际会议上介绍过日本昭和观测站的臭氧观测结果；只是他的研究成果在当时并未引起重视。

1985年，美国“雨云-7号”气象卫星监测和证实了臭氧洞的存在。从那时起，每年的9、10月份，人们都可以观测到南极臭氧洞的出现。1994年，南极臭氧洞中心数值达到创纪录的92DU，不足正常值的1/3；2006年，南极臭氧洞面积达到了创纪录的2700万平方千米。

臭氧洞的发现成为当时最重要的国际环境危机，为解决这一问题，全球各国合作签订了《保护臭氧层维也纳公约》（该公约签订于1985年3月）和《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》（简称为《蒙特利尔议定书》，签订于1987年9月），呼吁采取全球行动，共同应对臭氧损耗，逐步停止生产和使用损耗臭氧的氟利昂和哈龙类物质。

我国政府于1989年9月加入了《保护臭氧层维也纳公约》，并于1991年6月加入《蒙特利尔议定书》。1993年1月，国务院批准实施《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》（简称《国家方案》），作为履行《蒙特利尔议定书》的行动纲领。《国家方案》规定，我国将在2010年1月1日实现“消耗臭氧层物质”（ODS）生产和消费的同步淘汰。2007年7月1日，我国宣布已经全面停止了氟利昂和哈龙两类物质的生产和消费，提前两年半实现规定目标。

尽管臭氧洞主要出现在南半球；但如文章开头提到的，北半球也可能出现臭氧洞事件，历史上，北极在1997年和2011年都出现了较大规模的臭氧洞。

缘何出现臭氧洞

低温、太阳辐射和臭氧损耗物质的存在，是臭氧洞出现的必要条件。这样的条件只出现在平流层极区。在我们头顶10～50千米的平流层，冬季盛行西风，其中环绕北极的西风时速可达350千米以上（超强台风17级风的时速约为210千米），环绕南极的西风时速甚至可以超过400千米。由于两极各自的冬季没有太阳照射，环绕极区的强大西风被称作极夜急流。

在强大的绕极西风的作用下，极区与中纬度地区被隔离开来，不仅导致中纬度地区富含氧气的空气无法进入极区，而且使得中纬度的热量同样无法进入极区，由此形成了异常寒冷的平流层极区。正常情况下，南半球冬春季（6～10月）的南极平流层最低温度可以达到-130℃，北极隆冬（12月、1月、2月）的最低温度也可以低于-80℃。

在极低温条件下，可以形成极地平流层云。它与近地面的云差别很大，包含了冰晶、水合硝酸（硝酸三水合物）和水合硫酸。极地平流层云的存在，可以把氯贮存物质（主要是氯化氢HCl）吸收到颗粒的界面上，通过分解反应，释放出活性氯。当早春来临时，在太阳紫外线的照射下，氯原子会更容易分解出来，进而引发化学反应侵蚀臭氧层，形成臭氧损耗和臭氧洞现象。

南北半球相比，南半球的中高纬度以海洋为主，地面均一度比较好，不容易产生大尺度大气波动（行星波），因而形成的极涡也不容易受到扰动破坏，所以南半球极夜急流里的低温极区非常稳定。与之相反，北半球的中高纬度地形复杂，海陆对比明显，容易发生各种尺度的扰动。因此，北半球极涡容易受波动影响而扭曲、变形或者偏心，从而导致极夜急流所形成的极涡极易遭到破坏，所以北半球的极低温环境不易維持。

这两种情况意味着，由于南半球的极涡非常稳定，因此每年都会在9、10月份形成严重的臭氧洞；而北半球的极涡变化较大，不易形成稳定的低温区和极地平流层云，致使臭氧洞不易形成，或者即便形成了臭氧洞，其规模和维持度也远不如南极。自2011年出现明显的臭氧洞之后，直到2020年春季，北极才形成典型的臭氧洞。即使是这次被认为“史上最强大”的北极臭氧洞，其面积也仅有约100万平方千米；而在2019年，南极的臭氧洞即便被认为是南极史上“最小”臭氧洞，其面积也在900万平方千米以上，远大于北极臭氧洞。更遑论南半球动辄2000万平方千米的臭氧洞，远不是北极臭氧洞所能比拟的，绝对是“小巫见大巫”。

换句话说，即使大气中存在大量臭氧损耗物质，北极每年臭氧洞的大小和强度也有所不同。这主要是因为平流层的极涡强度存在着变化。在有些年份，极涡会更强一些，这些年份的臭氧损耗就会严重些，甚至出现臭氧洞；而在另外一些年份，极涡相对弱一些，这些年份的臭氧损耗就少很多。

平流层极涡强度和范围的变化受多种因子的影响，除了大气内部的复杂波动变化之外，热带海洋的热力学状况（厄尔尼诺或者拉尼娜现象）也是一个重要影响因子。一般而言，当热带东太平洋发生厄尔尼诺事件时，北极极涡偏弱；反之，当热带东太平洋发生拉尼娜事件时，北极极涡偏强。

另外一个影响极涡强度的因子是赤道平流层准两年振荡现象（QBO）。当热带平流层处于西风时，北极极涡偏强；反之，当热带平流层处于东风时，北极极涡偏弱，容易发生暴发性增温。其他诸如北极海冰面积、欧亚大陆雪盖和陆面过程、北大西洋海洋热力状况等，也都可以影响极涡的变化。影响因子越多，极涡的变化特征就更为复杂。因此，如果讨论某一年的极涡状况，需要具体问题具体分析。

臭氧洞几时恢复

尽管极涡强度变化会影响某一年臭氧洞的强度和大小，但未来臭氧洞的趋势变化主要受大气中臭氧损耗物质的数量影响。

《蒙特利尔议定书》签署于1987年，在1989年1月1日生效。该议定书规定，发达国家在2000年全面停止生产和使用8种氟利昂和哈龙类物质，发展中国家的控制时间表比发达国家相应延迟10年。这份议定书得到了联合国所有成员国的签署和贯彻执行，这在人类历史上是空前的。因此，联合国前秘书长科菲·安南称该协议为“可能的唯一最成功的国际协议”。不过，“病来如山倒，病去如抽丝”，人类近百年排放到大气中的损耗臭氧的物质不仅数量巨大，而且其生命期长达50～100年，它们的减少将会极其缓慢。

2018年，联合国环境署发布《2018年臭氧层损耗科学评估》报告，评估了有关臭氧的损耗问题。该报告指出，经过30年的努力，人类避免进入一个更严重的臭氧损耗危机；不过，要使南极臭氧恢复到20世纪80年代的水平，大概要到2060年之后，而要想恢复到20世纪60年代初的水平，则需要到2100年左右。

这注定是一场保护环境的长期战争。

臭氧的危害

科学研究表明，大气中的臭氧每减少1%，照射到地面的紫外线就会增加2%。强烈的紫外线辐射会增加人类罹患皮肤癌、白内障等疾病的风险，可能造成免疫系统缺陷和发育停滞；还会使农作物大量减产，威胁某些鱼类和海洋生物的生存。