全球大氣臭氧減少、南極春季出現(xiàn)臭氧洞，與全球二氧化碳增加、近百年全球變暖一樣，是人們廣泛關(guān)注的熱點問題。臭氧層是地球生命的保護傘，它的變化對地球生態(tài)系統(tǒng)和大氣環(huán)境產(chǎn)生著重要影響。全球變暖和臭氧層減薄是影響當前人類生存環(huán)境的兩個不同的問題。

隨著對大氣認識的深入，人們逐漸意識到保護臭氧層的重要性和迫切性，保護臭氧層也被看作是迄今為止人類最成功的全球性合作。1995年1月23日聯(lián)合國大會決定，把簽署《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的9月16日設(shè)定為國際保護臭氧層日，而今年的主題是“臭氧與生命：臭氧層保護35年（Ozone for life：35 years of ozone layer protection）”。

臭氧與臭氧層

臭氧由 3 個氧原子組成、有特殊魚腥臭味，是大氣中自然存在的一種痕量氣體。它主要分布在平流層，通常最大濃度出現(xiàn)在離地22-27 千米的地方。臭氧是一種化學性質(zhì)很不穩(wěn)定且氧化性很強的物質(zhì)，它在平流層中的生成和分解與太陽輻射密切相關(guān)。

臭氧在大氣中含量很少，在標準情況下，如果把大氣中的臭氧收集起來，全球平均累積厚度僅為3毫米左右，只相當于兩個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，全球大氣中的臭氧累計厚度就是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，大量吸收著來自太陽的紫外輻射。其中對生物特別有害的UV-B輻射被大部分（95%）吸收，在平流層大氣中的臭氧，能阻擋有害紫外線，是好臭氧。臭氧層是地球生命的保護傘，若沒有它，人類賴以生存的地球就會被有致命殺傷力的太陽紫外線傷害，結(jié)果將是地球生靈的滅絕。

在接近地面的對流層中，臭氧含量并不多，可危害不容小覷。尤其是在近地面，臭氧的生成與交通尾氣、工業(yè)廢氣等排放的氮氧化物和揮發(fā)性有機化合物 (臭氧前體物VOC)在太陽紫外線照射下產(chǎn)生的光化學反應(yīng)有關(guān)。因此臭氧反而成為了一種對生態(tài)系統(tǒng)有毒有害的污染物，也是造成光化學煙霧等污染事件的罪魁禍首。

大氣臭氧垂直分布 (引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)

也就是說，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。在我國環(huán)保部門發(fā)布的空氣質(zhì)量指數(shù)（ AQI ）中，參與空氣質(zhì)量評價的六種主要污染物中就有地面臭氧。目前北京地區(qū)的首要大氣污染物是 PM2.5 及近地面臭氧，其中，北京 77.8% 的污染日是因為 PM2.5 超標，20.1% 為臭氧超標。特別是在北京夏季，臭氧接替 PM2.5 成為首要空氣污染物。

春季南極臭氧洞和北極臭氧損耗

自上世紀70年代末以來，全球臭氧總量呈下降趨勢，尤其是在南極地區(qū)下降最為明顯。1984和1985年，日本和英國的科學家先后報道，春季南極站監(jiān)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(jié)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)（通常這個值設(shè)定為220 DU），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。

南極臭氧洞（引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole_SH.html）

南極臭氧洞并不是全年都存在的，只在南極春季出現(xiàn)，其強度和范圍時大時小，各年變化不定，“空洞”的最低值也是波動的。

南極臭氧洞的出現(xiàn)與人類活動關(guān)系密切。人類活動排放的氟里昂和溴化烴等消耗臭氧層物質(zhì)，是破壞大氣臭氧層的元兇。這類污染物質(zhì)的化學性質(zhì)十分穩(wěn)定，排放到大氣中后滯留的時間很長；在大氣垂直環(huán)流作用下會從對流層到達平流層，并通過大氣環(huán)流的遠距離輸送和極渦的輻合效應(yīng)將這些大氣污染物在極地平流層中聚合起來。

人類活動排放到大氣中的氟里昂和溴化烴等含氯和溴的消耗臭氧層物質(zhì)（ODS），在極地平流層低溫條件下形成冰晶云(PSCs)或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，通過光化學反應(yīng)大量消耗臭氧，而為光化學反應(yīng)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)。極地平流層極渦能為南極臭氧洞的形成提供相對封閉的動力背景，其春季低溫則為平流層冰晶云的形成創(chuàng)造條件。

在南極，冬季平流層極渦的溫度很低，通常在極夜結(jié)束后的春季，低溫尚能維持一段時間，這就是每年春季南極地區(qū)都會出現(xiàn)臭氧洞的原因；也正是由于平流層溫度、極渦強度和位置的變化，各年南極臭氧洞強度和范圍有所變化。

值得注意的是，除2019年異常偏小外，2002和1988年也顯著偏小，這都與南極大氣環(huán)流和平流層極渦變化所導致的春季平流層異常增溫有關(guān)；南極臭氧洞偏大的年份（如2006、1998、2003、2015年），則無一不是春季平流層極渦偏強、溫度偏低。

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，污染比南半球更嚴重；海陸分布等差異，對南北兩極的氣候和大氣環(huán)流也產(chǎn)生很大影響。無論冬或春，北極平流層極渦中溫度都比南極高，特別進入春季以后，北極極渦溫度升高。當極夜后太陽光再次照耀北極地區(qū)時，平流層極渦中的溫度大都在-78℃以上，很難滿足形成平流層冰晶云的必要條件，加之在春季，北極地區(qū)臭氧總量通常為400-500 DU的高值區(qū)，故2019年以前，北極春季沒有出現(xiàn)過臭氧洞。

在1997年、2011年和2020年春季，春季平流層極地渦旋中溫度異常偏低，大氣臭氧的化學虧損嚴重，都出現(xiàn)了閉合的低值區(qū)，只是1997年和2011年最低值都在220 DU以上，未達到出現(xiàn)臭氧洞的標準。而2020年北極地區(qū)大氣環(huán)流異常，春季平流層極渦中溫度持續(xù)偏低，平流層冰晶云面積也創(chuàng)新高，臭氧的化學損耗更大，低值低于220DU，故而北極首次出現(xiàn)了臭氧洞。

2020年3月的北極臭氧(引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)

天氣和氣候是兩個不同的概念，正如在全球變暖的大背景下,不能因某一年偏冷,就認為氣候在變冷；同樣，也不能因某一年南極臭氧洞偏小，或出現(xiàn)了北極臭氧洞，就認為臭氧洞已被修復(fù)或環(huán)境條件變差。

在目前大氣環(huán)境被污染的情況下，南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞是否出現(xiàn)等，取決于南北兩極春季平流層極渦及其低溫狀態(tài)的變化。2020年春,首個北極臭氧洞出現(xiàn)與春季平流層極渦的持續(xù)低溫有關(guān)，是由大氣環(huán)流等自然因素引起的，并無環(huán)境指示意義。

人類只有一個地球，環(huán)境被污染后，其影響往往很難消除。中國除了采取切實措施逐步淘汰消耗臭氧層的物質(zhì)外，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，我國大陸建立了北京（香河）、昆明、青海（瓦里關(guān)山）、浙江（臨安）、黑龍江（龍鳳山）、拉薩等6個大氣臭氧監(jiān)測站；在港臺地區(qū)也有3個大氣臭氧監(jiān)測站；而在南極，中山站的氣象科考人員也正在密切監(jiān)視著南極臭氧的變化情況。

南極中山站大氣臭氧總量觀測（ 攝影/陸龍驊）

近年來，國家對包括CFC-11（一氟三氯甲烷，早期廣泛使用的高溫制冷劑，近幾年被科學家監(jiān)測到）等在內(nèi)ODS的非法生產(chǎn)和使用采取零容忍態(tài)度（關(guān)鍵在于這種物質(zhì)沒有像預(yù)期的那樣與其它氟里昂類物質(zhì)一起減少），因此，蒙特里爾議定書里保護臭氧層的工作，仍任重道遠。在淘汰消耗臭氧層物質(zhì)時，我國和世界各國都需要為綠色地球做出更多的努力。

撰文| 陸龍驊 中國氣象科學研究院研究員

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