臭氧层是地球生命的保护伞，南极臭氧洞也是人们十分关心的。近30余年来，每年南半球春季，南极上空都会出现臭氧洞，其平均面积达1820万km?，将近有二个中国那么大；在刚过去的2019年南半球春季，臭氧洞的平均面积只有934万km?，差不多缩小了一半(其9月21日为616万km?，还不到多年平均的30%)，是自臭氧洞发现以来的最小规模。
△2019年9月21日的南极臭氧洞
（引自https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole_SH.html）
这是怎么回事呢？
要搞清这个问题，
就要从什么是臭氧和臭氧洞，
臭氧洞形成的原因是什么等方面说起。
臭氧与“臭氧洞”
臭氧是由3个氧原子组成的一种痕量气体，主要分布在平流层，通常最大浓度出现在离地22~27km的地方（图1）。
图1大气臭氧垂直分布
（引自https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/）
臭氧是一种化学性质很不稳定和氧化性很强的物质，它在平流层中生成和分解与太阳辐射有密切关系。被称之为痕量气体的臭氧在大气中含量很少，如果把大气中的臭氧收集起来，在标准情况下，全球平均累积厚度仅为3毫米左右，即只相当于两个5分硬币的厚度。臭氧总量通常用多布森单位（DU）来度量，1个多布森单位指的是——标准状况下臭氧累积厚度为0.01毫米，3毫米就是300 DU。
可别小看这区区的3毫米，就是这平均3毫米的臭氧层，大量吸收了来自太阳的紫外辐射，对地球生态系统和大气环境有重要影响。可以形象地说，臭氧层是地球生命的保护伞。若没有臭氧层，我们赖以生存的地球就会在对生物有致命杀伤的太阳紫外线面前毫无遮拦，其结果将是地球生灵的灭绝。
在接近地面的对流层中，臭氧含量并不多，尤其是在近地面，臭氧是一种对生态系统有害的污染物。这就是说，在高空的平流层中，臭氧是“好”的；而在近地面的对流层中，臭氧是“坏”的。
自上世纪70年代末以来，全球臭氧总量是下降的，尤其是在南极地区下降最明显。1984和1985年，日本和英国科学家先后报道，春季南极站观测到的大气臭氧总量值与10年前相比减少了30～40%，随后美国科学家用卫星资料也证实了这一结果。在春季，南极地区臭氧总量急剧减少，会出现低于全球平均值30～40%的闭合低值区（通常这个值设定为220 DU），与周围地区相比，就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”，这就是南极臭氧洞（图2）。“臭氧洞”这个形象的称谓由此被人们所记住。
图2 南极臭氧洞（引自https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole_SH.html）南极臭氧洞并不是全年都存在的，只在南极春季出现。通常南极臭氧在7月下旬开始减少，8月中旬后就出现较为明显的臭氧洞，9月下旬到10月上旬臭氧洞的面积最大，10月底后臭氧急剧增加，臭氧洞逐渐填塞，12月中旬恢复正常，就不再有臭氧洞了（图3）。
图3南半球7-12月臭氧平均分布(1979-2019年)(取自https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/monthly/climatology_)
南极臭氧洞及其变化的机理
为讨论形成南极臭氧洞的原因，各国科学家通过气球、飞机、火箭、卫星及地面站等多种现代化观测方法获取了大量资料，并用计算机进行了分析和模拟研究。曾有两届诺贝尔化学奖得主的工作与研究臭氧洞形成的原因有关。南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。为制造冰箱和空调器等（图4），人类发明和使用了氟利昂和溴化烃等含氯和溴的化合物，正是这类污染物质最终导致了臭氧层的破坏，在南极地区的实地考察研究也找到了氯氟烃等物质消耗臭氧层的确凿证据 。
图4消耗臭氧的物质这类污染物质的化学性质十分稳定，泄漏排放到大气中滞留的时间很长；在大气垂直环流作用下会从对流层到达平流层，并通过大气环流的远距离输送和极涡的辐合效应将这些大气污染物在极地平流层中聚合起来。人类活动排放到大气中的氟利昂和溴化烃等含氯和溴的消耗臭氧层物质（ODS），在极地平流层低温条件下形成的冰晶云(PSCs)或液态硫酸气溶胶表面，会通过光化学反应大量消耗臭氧，而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶，只有在温度低于-78℃时才出现。因此，形成臭氧洞需要满足2个必要条件：
1.大气中存在有人类活动排放的氟里昂和溴化烃等消耗臭氧层物质（人为因素）；
2.春季南极平流层极涡中较长时间的低温（自然因素）。只有同时满足这两个条件，在平流层极涡中低温（温度低于-78℃）条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面，吸附了大气污染物质，才能在太阳光照耀下，激发氯和溴的活性，通过光化学反应大量消耗臭氧，在南极春季形成臭氧洞。
南极臭氧洞偏小及北极未出现臭氧洞的原因
在南极，冬季平流层极涡的温度很低，通常在极夜结束后的春季，低温尚能维持一段时间，有利于臭氧洞的形成，也正是由于平流层温度、极涡强度和位置的变化，造成了南极春季臭氧洞的异常偏小和各年南极臭氧洞强度和范围的变化（图5）。
图5 1979-2019年逐年臭氧洞面积的变化
(取自https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)
值得注意的是，除2019年异常偏小外，2002和1988年也现显著偏小，这都与南极大气环流和平流层极涡变化所导致的春季平流层异常增温有关；南极臭氧洞偏大的年份（如2006、1998、2003、2015年），则无一不是春季平流层极涡偏强、温度偏低（图6）。
图6臭氧洞异常年的南极平流层（50hPa）温度变化
(取自https://www.cpc.ncep.noaa.gov/）
那北极为什么没有出现臭氧洞呢？北极更加接近人类活动的地区，北极大气中污染物的浓度也比较高，与南半球相比污染更为严重，但是它不满足，或很难满足形成臭氧洞的平流层极涡中低温的必要条件。
南北两半球海陆分布的差异，对气候和大气环流也有很大影响。南极地区是一块由海洋包围的冰雪大陆，而北极却是一片由大陆包围的冰雪海洋。在平流层极涡中，南极的温度也低于北极。而且特别是在春季，北极春季温度比南极春季高，进入春季以后北极极涡很快就崩潰、温度就升高了。春季，当极夜后太阳光再次照耀北极时，北极平流层极涡中很难达到-78℃低温，不满足形成平流层冰晶云的必要条件。
所以，北极春季没有臭氧洞，与北极春季平流层温度高于南极春季、平流层冰晶云等很少出现以及北极地区大气臭氧的本底值较高有关。1997年和2011年北极春季化学亏损偏大，也与北极春季平流层温度偏低有关。
目前大气环境被破坏的情况下，无论是南极还是北极，存在消耗臭氧物质的必要条件总是能满足的，关键在于能否出现形成平流层冰晶云的低温必要条件。南极春季，大都能满足出现臭氧洞的平流层低温必要条件，因此春季南极臭氧洞仍将出现；在北极很难满足出现臭氧洞的平流层低温必要条件，只是当春季平流层温度异常偏低时，仍有可能在春季出现臭氧低值区。南北极大气臭氧亏损的程度将随大气环流，特别是极涡的状况而发生变化。
保护臭氧层的工作仍任重道远
天气和气候是两个不同的概念，正如在全球变暖的大背景下，不能因某一年偏冷，就认为气候在变冷；同样，也不能因某一年臭氧洞偏小，就认为臭氧洞已被修复。
“人类只有一个地球”，环境被污染后，其影响往往很难消除。一个氟里昂分子分解产生的氯离子可以消灭一万个臭氧分子，而由溴化烃分解产生的溴离子对臭氧的破坏作用，比氯离子还要大50倍，它们自身都能再生，在大气中内寿命都很长。即使目前人们不再向大气排放这类污染物，其对臭氧的破坏影响仍可以维持几十年。南极臭氧洞和北极臭氧严重耗损都在向人类再次敲响警钟。令人欣慰的是，由于国际社会的共同努力，特别是《蒙特利尔议定书》的执行，目前大气中消耗臭氧层物质增长的趋势已被扼制，大气中污染物质的浓度，包括氟利昂的浓度增长的速度在减慢，目前基本上处于平稳状态，并慢慢开始下降。但从总的趋势来讲，近些年南极臭氧洞的面积将继续保持稳定，然后开始缓慢减小，到2070年后才有可能恢复到1980年的水平。作为发展中国家，近年来，我国经济持续高速发展，对使用消耗臭氧层物质的制成品需求也在日益增加，因此，在淘汰消耗臭氧层物质时，我国需要付出更大的努力，做出更大的牺牲，保护臭氧层的工作仍任重道远。中国除了积极参与国际合作，采取切实措施逐步淘汰消耗臭氧层的物质外，我国还加强了对全球臭氧变化和南极臭氧洞的监测和研究工作。目前，在我国大陆，有北京（香河）、昆明、青海（瓦里关山）、浙江（临安）、黑龙江（龙凤山）、拉萨等站进行大气臭氧监测；港台地区也有多个观测站进行大气臭氧监测；而在南极，中山站的气象考察人员也正在密切监视着南极臭氧的变化情况。
撰文/陆龙骅（中国气象科学研究院）
