南極上空的臭氧空洞，現(xiàn)在怎么樣了？

作者：魏科

1985年5月16日，著名雜志《自然》發(fā)表了由英國南極科考隊約瑟夫·法曼（Joseph Farman）和同事布萊恩·加德納（Brian Gardiner）和喬恩·尚克林（Jon Shanklin）的文章，他們指出南極哈雷灣觀察站自70年代中期起即出現(xiàn)嚴重臭氧損耗，到80年代初，10月平均的臭氧損耗超過40%，至此，南極臭氧洞這一嚴重的環(huán)境危機走入全球視野。

隨后美國航空航天局檢查了衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，吃驚地發(fā)現(xiàn)在南極上空已經(jīng)形成了一個巨大的臭氧層空洞，當然這不是一個真正的“洞”，而是說其中的臭氧濃度要大幅度低于周圍，與周圍相比，像是形成了一個“洞”，他們發(fā)現(xiàn)，這個“洞”的面積已經(jīng)達到上千平方千米，比美國國土面積還要大。

20世紀80年代后，南極臭氧洞幾乎每年都季節(jié)性地發(fā)生，且面積越來越大。1992年和1993年10月臭氧損耗非常嚴重，平流層部分區(qū)域臭氧濃度下降了99%。1998年12月世界氣象組織(WMO)的觀測發(fā)現(xiàn)，南極上空的臭氧層空洞連續(xù)近100天面積超過1000萬平方千米，而同年9月份的最大面積更創(chuàng)紀錄地達到了2790萬平方千米（1998年9月19日）。南極臭氧洞最大面積出現(xiàn)在2000年9月9日，南極臭氧洞面積達到2990萬平方千米，這么大規(guī)模臭氧洞已經(jīng)能危及到南美洲大陸最南端的火地島和阿根廷圣克魯斯的南部地區(qū)。

不僅僅是在南極上空，北半球也可能出現(xiàn)臭氧洞事件，只是出現(xiàn)的頻率比較低，大約每10年一次。歷史上，北極在1997年和2011年都出現(xiàn)了較大規(guī)模的臭氧洞。2020年3月，北極地區(qū)再一次形成了更大的臭氧洞，此次臭氧低值區(qū)域面積達到3個格陵蘭島大小，約600萬平方公里，其中符合臭氧洞標準（臭氧總量數(shù)值低于220DU）的面積超過了100萬平方公里。這說明了臭氧總濃度的減少是全球性的。

紫外線壁障：臭氧層

臭氧層是生命攸關的保護傘。盡管臭氧在接近地面是重要的污染物，但是高層的臭氧卻是地球上生命的保護傘。臭氧層能吸收絕大多數(shù)對人類有害的太陽紫外線，主要是一部分UV-A（波長320～400nm）,大部分UV-B（波長280~320nm）和全部的UV-C（波長200～280nm），UVB被稱作紅斑效應紫外線，是引起皮膚癌和白內(nèi)障的主要因子。UVA也被稱作黑斑效應紫外線，是皮膚美白的死對頭，是引起皮膚曬黑、老化和起皺紋的主要輻射，根據(jù)目前研究，也是皮膚癌的原因之一。UVC又稱為短波滅菌紫外線，可以破壞生命的DNA結(jié)構(gòu)，是最危險的是紫外線，紫外線殺菌燈就是用UVC來對空氣和食品進行滅菌。因此，臭氧的在環(huán)境中的作用被概括為“在天為佛，在地為魔”。

臭氧層的出現(xiàn)僅有大約6億年的歷史。在此之前，太陽光中的紫外線毫無遮攔地照射到地球表面，在短波紫外線UVC照射下，地球表面看不到生命的跡象，因此6億年前生命都匍匐在深海之中，演變非常慢。當臭氧層在約6億年前形成之后，海洋表面和陸地都變得安全起來，開拓了生命進化的領域。大概5.4億年前，地球上發(fā)生了波瀾壯闊的“寒武紀大爆發(fā)”，地球上突然涌現(xiàn)了各種各樣的生物，生命從深海到淺海，然后從淺海到陸地，演變速度加快，才有了后來的恐龍和今天的我們?nèi)祟悺?/p>

臭氧層的穩(wěn)定關系著地球生命的健康，臭氧層空洞的出現(xiàn)會使得到達地表的UV-B輻射強度明顯增加，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴重的危害。據(jù)分析，若平流層臭氧減少1%，全球白內(nèi)障的發(fā)病率將增加0.6%~0.8%，全球每年由于白內(nèi)障而失明的人將增加10000~15000人；若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發(fā)病率將增加26%，人體免疫系統(tǒng)機能將會減退。另外，UV-B會破壞植物的葉綠素，影響植物的光合作用，使農(nóng)作物減產(chǎn)。因此，臭氧洞的發(fā)現(xiàn)引起全球轟動，全球圍繞臭氧層保護的工作開始進入快車道。

臭氧層的破壞與保護

科學界從上世紀70年代就明確指出，人類活動排放的氟氯碳化合物（CFCs）會對臭氧造成嚴重的損耗，這些損耗臭氧的物質(zhì)（ODS物質(zhì)），在近地面附近非常穩(wěn)定，廣泛應用于大型中央空調(diào)、家用空調(diào)、車載空調(diào)、冰箱等制冷設備，應用于聚氨酯（PU）硬質(zhì)泡沫的發(fā)泡劑、抽提劑、溶劑、干洗劑、次序劑、氣溶殺蟲藥發(fā)射劑等。但是當其釋放進入大氣之后，在平流層經(jīng)過紫外線照射，釋放出自由的Cl粒子，可以作為催化劑破壞臭氧層，據(jù)估計，一個Cl離子可以破壞10萬個臭氧分子。發(fā)現(xiàn)臭氧損耗機理的保羅·克魯岑（Paul Crutzen）、舍伍德·羅蘭（F. Sherwood Rowland）和馬里奧·莫利納（Mario J. Molina）也因此獲得了1995年的諾貝爾化學獎。

為了保護臭氧層，國際社會1985年通過了《保護臭氧層維也納公約》、1987年通過了《關于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，在全球范圍內(nèi)限制生產(chǎn)、銷售和使用8種對臭氧層有嚴重破壞作用的物質(zhì)，其中包括五項氟氯碳化物和三項哈龍類物質(zhì)。

《蒙特利爾議定書》在通過之后，為了加快進程、納入更多發(fā)展中國家和擴大禁止化合物種類等，先后通過了《倫敦修正案》（1990年6月）、《哥本哈根修正案》（1992年11月）、《維也納調(diào)整案》（1995年12月）、《蒙特利爾修正案》（1997年）、《北京修正案》（1999年11月）等，這使得《蒙特利爾議定書》形成“共同但有區(qū)別的責任”，對發(fā)展中國家和發(fā)達國家分情況對待，發(fā)達國家率先行動，并為發(fā)展中國家提供資金和技術支持，增強發(fā)展中國家能力，從而最終實現(xiàn)共同行動。

這個創(chuàng)舉使得的《蒙特利爾議定書》成為第一個規(guī)定發(fā)達國家和發(fā)展中國家承擔不同義務的國家環(huán)境公約，也使得《蒙特利爾議定書》成為有史以來全球所有國家取得完全一致的協(xié)定。前任聯(lián)合國秘書長科菲·安南先生盛贊《蒙特利爾議定書》為“迄今為止唯一最成功的國際協(xié)議”。

在協(xié)議簽署后的10余年間，共有超過85%的消耗臭氧層物質(zhì)被淘汰。從2000年開始，隨著人類對臭氧層破壞的減輕，大氣層的自我修復功能開始發(fā)揮作用，臭氧層空洞不斷增大的狀況開始停止惡化，進入觸底反彈階段。2016年6月30日，美國麻省理工學院地球、大氣和行星科學系著名大氣化學家與氣候?qū)W家蘇珊·所羅門（Susan Solomon）教授等人在著名刊物《Science》上發(fā)表文章，向全世界報告了一個好消息：南極臭氧洞正在恢復。這被看做南極臭氧洞“治愈”之路上的第一縷曙光。

1989年起，每隔4年發(fā)布一次全球臭氧層損耗的科學評估報告。根據(jù)最新的評估，自《蒙特利爾議定書》執(zhí)行以來，全球各國家和地區(qū)為減少臭氧層損耗，積極采用替代物，逐步淘汰消耗臭氧層物質(zhì)（ODS）。ODS總氯濃度從1993年峰值3660ppt（干空氣中每萬億個氣體分子所含的該種氣體分子數(shù)）已經(jīng)下降了10%以上，總溴濃度也從1998年的22.0ppt下降了11%以上。

臭氧層恢復的漫漫長路

在全球共同努力下，南極臭氧恢復較為明顯，極地平流層臭氧空洞進一步恢復。自2000年以來，極地平流層臭氧含量每10年增加1%至3%。根據(jù)數(shù)值模擬的預測，全球平均臭氧總量將在2050年前恢復到1980年水平，南極臭氧空洞則需到2060年前后才能恢復到1980年水平，到2100年前后南極的臭氧層將會恢復到1960年水平，那時候臭氧洞才能完全消失。

之所以臭氧層恢復如此慢，主要是因為破壞大氣臭氧層元兇的ODS物質(zhì)在大氣中的平均壽命極其長，例如CFC-11的壽命為50年，而CFC-12的壽命達到100年，CFC-115則長達1020年，所以在今后相當長時間內(nèi)它們還會繼續(xù)破壞大氣臭氧層，其濃度仍然遠高于大氣臭氧層出現(xiàn)明顯損耗之前的水平。另外，人們應當清醒地認識到，大氣臭氧層的恢復涉及大氣中很多復雜的物理、化學和動力學過程，是一個復雜的科學問題，這就使得大氣臭氧層的恢復過程變得十分復雜，并且?guī)в泻艽蟮牟淮_定性，因此，需要持之以恒加強對臭氧損耗物質(zhì)的管控。

然而“病來如山倒，病去如抽絲”，臭氧層的恢復之路并不是一帆風順，會出現(xiàn)各種反復，例如2015年是個例外，當年臭氧洞面積偏大，10月2日達到最大的2820萬平方千米。臭氧洞的大小還受到其他不同因素的影響，例如火山噴發(fā)、厄爾尼諾現(xiàn)象、全球變暖和平流層大氣環(huán)流的變化等。每年的9月和10月，是南極臭氧洞面積最大損耗最嚴重的月份。2022年10月8日，南極臭氧洞面積達到2400萬平方公里，10月1日中心最低數(shù)值達到97 DU，只有正常值1/3不到，看的出來，南極臭氧損耗依然很嚴重。

盡管臭氧層完全恢復尚需時日，但畢竟我們已經(jīng)走在了恢復之路上。研究人員利用地球系統(tǒng)模式的模擬分析指出，如果全球沒有從上世紀80年代對ODS進行控制，那全球臭氧損耗將非常嚴重，北極地區(qū)的臭氧濃度也將下降至50-100 DU，遠低于1960年的濃度水平（500 DU），出現(xiàn)嚴重的北極臭氧洞，地球表面的紫外線輻射強度將翻倍，皮膚癌的幾率會飆升。

南極臭氧洞是人類歷史上一個重大環(huán)境問題，通過保護臭氧層的工作，我們已經(jīng)意識到：人和自然環(huán)境是一個有機整體。就好像魚兒離不開水，水里也不能沒有活潑的魚兒。我們的社會發(fā)展、科技進步不應該以破壞環(huán)境作為代價，而是要堅持“和自然共同成長”的觀念，保護好綠水青山，打贏一次又一次的“地球保衛(wèi)戰(zhàn)”，守衛(wèi)并呵護我們賴以生存的寶貴地球家園。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：魏科

審核：皇甫靜亮 中科院大氣物理所臺風專家

出品：中國科協(xié)科普部

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