臭氧層為什麼被稱為「地球之盾」？臭氧洞為什麼只在南極有？

撰文/陸龍驊

本文節選自《知識就是力量》雜誌

國際臭氧層保護日

臭氧層被譽為地球上生物生存繁衍的保護傘。但隨著人類活動的加劇，地球表面的臭氧層出現了嚴重的空洞。

為了喚起公眾環境保護意識，1995 年1月23日聯合國大會決定，每年的9月16日為國際保護臭氧層日，要求所有締約國按照《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》及其修正案的目標，採取具體行動紀念這個日子。

那麼，臭氧究竟是什麼？臭氧層空洞是怎麼回事，它會對人類造成什麼危害？目前臭氧層的情況如何呢？我們一起來看~

臭氧層：地球之盾

臭氧是一種由 3 個氧原子組成、有特殊 「臭」味的氣體，主要分布在平流層，特別是在離地面 20 ～ 30 千米的臭氧層里濃度最大。它是一種化學性質很不穩定和氧化性很強的物質，在平流層中的生成和分解與太陽輻射有密切關係。臭氧是一種痕量氣體，在大氣中含量很少。在標準情況下，如果把大氣柱中的臭氧全部收集起來，其全球平均累積厚度僅為 3 毫米左右。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，3毫米就是300 DU。

可別小看這區區的 3 毫米，就是這平均 3 毫米的臭氧層，大量吸收了來自太陽的紫外輻射，其中對生物特別有害的 UV-B 輻射大部分（95%）被吸收，對地球生態系統和大氣環境有重要影響。可以形象地說，臭氧層就是保護地球生命的盾牌。若沒有臭氧層，我們賴以生存的地球就會在對生物有致命殺傷的太陽紫外線面前毫無遮攔，其結果將是地球生靈的滅絕。

全球臭氧層的減薄也會對人類健康、地球生態平衡、近地面大氣環境等發生重大影響。臭氧每減少 1%，皮膚癌發病率將增加 2% ～ 4%，白內障患者將增加0.3%～0.6%；強烈的紫外線使農作物和植物受到損害，使浮游生物，魚苗、蝦、蟹幼體和貝類大量死亡，甚至造成某些生物滅絕，進而影響全球生態平衡；臭氧層減薄使到達地面的紫外線增強，增強的紫外線使城市中汽車尾氣的氮氧化物分解，在近地面形成以臭氧為主要成分的光化學煙霧。此外，臭氧本身也是一種溫室氣體，其濃度及在大氣中分布的變化也會對地球大氣溫室效應發生影響。

年年不同的南極臭氧洞

南極臭氧洞的強度和範圍時大時小，每年都是有變化的，「空洞」中的最低值也是波動的，並不像有的媒體所說的「日益加大」。

20 世 紀 70 年 代 末 以 來，全球臭氧總量是下降的，尤其是在南極地區下降最明顯。80 年代中期，日本和英國科學家先後發現 , 春季南極站觀測到的大氣臭氧總量值與 10 年前相比減少了 30% ～ 40%； 隨後美國科學家用衛星資料也證實了這一結果。在春季 , 南極地區臭氧總量急劇減少 , 會出現低於全球平均值 30 ～ 40% 的閉合低值區 , 與周圍地區相比 , 就顯得南極洲上空出現一個臭氧低值的「空洞」,這就是南極臭氧洞（圖 1）。

1979 年春季，南極地區剛出現臭氧洞時，範圍並不大，隨後臭氧洞的範圍逐年擴大；1988 年後則稍有緩和；1990 年以後，南極「臭氧洞」現象再次加劇，維持時間也加長。2000年和 2006 年，南極臭氧洞最大時面積超過 2900 萬平方千米，差不多有三個中國那麼大，佔據了整個南極洲，其中心地區的臭氧總量與正常值相比耗損了 70% 左右；而在南極臭氧洞最小的 2002 年，臭氧洞的面積不到 300 萬平方千米，只有近 10 年來平均值的 1/7。

南極臭氧洞並不是全年都存在的，只在南極春季出現。通常南極臭氧在 7 月下旬開始減少，8 月中旬後就出現較為明顯的臭氧洞，9 月下旬到 10 月上旬臭氧洞的面積最大，10 月底後臭氧急劇增加 , 臭氧洞逐漸填塞，12 月中旬恢復正常，就不再有臭氧洞了。

臭氧洞是怎麼來的？

研究表明，南極臭氧洞是大氣動力、光化學和平流層冰晶雲等因素相互作用和影響的產物；也與大氣環流，特別是平流層極地渦旋的活動密切相關。用大氣動力學、太陽活動及大氣化學等單個因素都無法圓滿地解釋南極臭氧洞形成的原因。

南極臭氧洞的出現與人類活動關係密切。為製造冰箱和空調器等，人類發明和使用了氟利昂和溴化烴等含氯和溴的化合物，正是這類污染物質最終導致了臭氧層的破壞，在南極地區的實地考察研究也找到了氯氟烴等物質消耗臭氧層的確鑿證據。人類活動排放到大氣中的氟利昂和溴化烴等含氯和溴的消耗臭氧層物質（ODS），在極地平流層低溫條件下形成的冰晶雲 (PSCs) 或液態硫酸氣溶膠表面，會通過光化學反應大量消耗臭氧，而為光化學反應提供活動界面的平流層冰晶雲或液態硫酸氣溶膠，只有在溫度低於-78℃時才出現。

因此，形成臭氧洞需要滿足 2 個條件：

1.人為因素：大氣中存在人類活動排放的氟利昂和溴化烴等消耗臭氧層物質；

2.自然因素：春季南極平流層極地渦旋中較長時間的低溫。

只有同時滿足這兩個條件，在平流層極地渦旋中低溫（溫度低於 -78℃）條件下形成的冰晶雲或液態硫酸氣溶膠表面，吸附了大氣污染物質，才能在太陽光照耀下，激發氯和溴的活性，通過光化學反應大量消耗臭氧，在南極春季形成臭氧洞。

北極也很危險

近幾十年來，北極地區的臭氧也是減少的，但迄今為止，還未出現過像南極那樣的「臭氧洞」。北極會不會出現「臭氧洞」也是大家十分關心的。在任何一張全球臭氧分布圖上，我們都可以看到，既有高值區，也有低值區。

臭氧洞有嚴格的科學定義，並不是所有的臭氧低值區都能稱為臭氧洞。在南極春季出現的臭氧洞至少有3個特點：

低值區的臭氧數值低，在 220 DU 以下；

低 值 區 范 圍 大，低 於220 DU 的範圍經常超過百萬平方千米；

低值持續時間長，常為2~4 個月。

把 220 DU， 而 不 是 諸 如250 DU 定為出現的臭氧洞的標準是因為：首先，220 DU 接近低於全球平均值 30%（26.7%）；再則，在北極秋天或赤道附近，偶爾也會出現由於動力等原因產生的低於 250 DU 的低值區，用 250DU 作為標準不合適。因此用 220 DU 作為是否出現臭氧洞的標準是科學的。

北極更加接近人類活動的地區，北極大氣中污染物的濃度也比較高，與南半球相比污染更為嚴重，但是它不滿足，或很難滿足形成臭氧洞的平流層極渦中低溫的必要條件。南極地區是一塊由海洋包圍的冰雪大陸，而北極卻是一片由大陸包圍的冰雪海洋。海陸分布的差異，對氣候和大氣環流產生了很大影響。例如，全球最低氣溫出現在南極地區，且南極的最低氣溫至少比北極低 20℃；在平流層極地渦旋中，南極的溫度也低於北極。雖然北極冬季平流層極地渦旋中的溫度也能低於 -78℃，但在極夜過後的春季，北極平流層極地渦旋中的溫度大多在 -78℃以上，在春季北極平流層中，很難滿足形成冰晶雲的低溫條件。

1979 年以來，只有 2011 年和 1997 年，由於北極極渦強、溫度特低，在極夜過後的春季，平流層極渦短暫 (10~15 天 ) 保持了低於 -78℃的低溫。2011 年在北極地區，出現了虧損 40% 的異常低值中心，此時因化學原因產生的臭氧虧損量為 160~200 DU，可與發生南極臭氧洞時的虧損量相比擬。雖此時北極平流層中大氣臭氧的化學虧損的數值也很大，但由於當地春季大氣臭氧通常為 400 DU 以上，本底值要比南極地區高 100DU；加之低溫持續時間短，在北極仍未出現低於220 DU 的區域。

雖然當前北極並未形成真正意義上的臭氧「空洞」，但是在 1997 年和 2011 年北極臭氧的化學虧損基本上達到了生成臭氧洞的邊緣，這引起大家的關注。如果由於氣候變化，使北極平流層溫度更低，時間持續更長，那麼在極端情況下，出現北極臭氧洞的可能性也不能排除。

南極地區除考察隊員外，沒有常住居民；人類大多數居住在北半球，北極臭氧的減少對於人類的影響應該超過南極，人們對北極臭氧減少的擔憂也是理所當然的。對此關注是應該的，而恐懼則沒有必要。

臭氧層的保護事關人類生存環境的安全。令人欣慰的是，由於國際社會的共同努力，特別是《蒙特利爾議定書》的執行，目前大氣中消耗臭氧層物質增長的趨勢已被扼制，大氣中污染物質的濃度，包括氟利昂的濃度，無論在南極地區，還是在北極地區，增長的速度在減慢，目前基本上處於平穩狀態，並開始慢慢下降。

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