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【臭氧洞为何频现南极和北极？

臭氧洞到底是怎么出现的？

臭氧洞何时才能消失？】

臭氧层位于地面以上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。

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。

北极臭氧洞相关信息。上图：极区臭氧总量数值，中图:平流层极区温度，下图：平流层极涡面积

臭氧洞不只南极有

问

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？

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。

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。

南极臭氧洞最强数值出现在1994年，臭氧总量数值降低到92DU；而最大面积数值出现在2006年，其面积达到2700万平方千米。2019年，该臭氧洞仅有900万平方千米，是过去30年的最低值

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，南半球平流层极区温度更低，最低可以达到-130℃，北极最低温度可以达到-80℃，当温度低于-78℃时，即逐渐形成极地平流层云。图片来自于联合国环境署《2018年臭氧层耗损科学评估》

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维持。

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”。

南极上空出现的臭氧洞往往远大于北极上空出现的臭氧洞

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。

1997年3月、2011年3月和2020年3月，北极地区都出现了臭氧洞（图片来自于https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ ）

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。