2020年:首個北極臭氧洞

臭氧層是地球生命的保護傘,它的變化對地球生態系統和大氣環境有重要影響。自20世紀80年代中期春季南極臭氧洞發現以來,每年春季南極地區都會出現臭氧洞;而在北極春季,2019年前均未出現過臭氧洞,只是2020年春季才首次出現北極臭氧洞。如圖所示,2020年3月的藍色區域為臭氧低值區,其中最低值為205 DU,而在1979—2019年的同期,北極地區卻為臭氧高值區。2020年春,北極上空出現了自南極臭氧洞發現以來的首個北極臭氧洞,隨著平流層溫度逐漸升高,4月中下旬,北極地區臭氧低值升至220 DU以上,北極臭氧洞不復存在。

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

自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。1984和1985年,日本和英國科學家先后報道,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%,隨后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,會出現低于全球平均值30%～40%的閉合低值區(通常這個值設定為220 DU),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。“臭氧洞”這個形象的稱謂由此而來。

南極臭氧洞并不是全年都存在的,只在南極春季出現。通常南極臭氧在7月下旬開始減少,8月中旬后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月底后臭氧急劇增加,臭氧洞逐漸被填塞,12月中旬恢復正常,就不再有臭氧洞了。

南極臭氧洞的強度和范圍時大時小,各年是有變化的,“空洞”中的最低值也是波動的。1979年春季,南極地區剛出現臭氧洞時,范圍并不大,隨后臭氧洞的范圍逐年擴大;1988年后稍有緩和;1990年后南極“臭氧洞”現象再次加劇,維持時間也加長。2000和2006年南極臭氧洞最大時面積超過2 900萬平方公里,差不多有三個中國那么大,占據了整個南極洲,其中心地區的臭氧總量與正常值相比,耗損70%左右;而在2002年,南極臭氧洞最小面積不到300萬平方公里,只有近10年來平均值的1/7。

南極臭氧洞的出現與人類活動關系密切。人類活動排放的氟里昂和溴化烴等含氯和溴的化合物是破壞大氣臭氧層的元兇。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。這類污染物質的化學性質十分穩定,被泄漏排放到大氣中后滯留的時間很長。這些大氣污染物在大氣垂直環流作用下會從對流層到達平流層,并通過大氣環流的遠距離輸送和極渦的輻合效應在極地平流層中聚合起來。人類活動排放到大氣中的消耗臭氧層物質(ozone depleting substances,ODS),在極地平流層低溫條件下形成的冰晶云(PSCs)或液態硫酸氣溶膠表面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云或液態硫酸氣溶膠只有在溫度低于–78℃時才出現。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造條件。

大氣中存在有人類活動排放的氟里昂和溴化烴等消耗臭氧層的物質(人為因素),是春季南極臭氧洞形成的一個必要條件;而春季南極平流層極渦中較長時間的低溫(自然因素),則是南極春季臭氧洞形成的又一必要條件。只有同時滿足這兩個條件,在平流層極渦中低溫(溫度低于–78℃)條件下形成的冰晶云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。

在南極,冬季平流層極渦的溫度很低,通常在極夜結束后的春季,低溫尚能維持一段時間,有利于臭氧洞的形成,導致每年春季南極地區都會出現臭氧洞;也正是由于平流層溫度、極渦強度和位置的變化,造成了各年南極臭氧洞強度和范圍的變化。值得注意的是,除2019年異常偏小外,2002和1988年也顯著偏小,這都與南極大氣環流和平流層極渦變化所導致的春季平流層異常增溫有關;南極臭氧洞偏大的年份(如2006、1998、2003和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,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,南北兩半球海陸分布差異等對氣候和大氣環流也有很大影響。無論冬、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很快崩潰、溫度升高。春季,當極夜后太陽光再次照耀北極地區時,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,而且在春季北極地區臭氧總量通常為400～500 DU的高值區,故2019年以前,北極春季沒有出現過臭氧洞。

在1997、2011和2020年春季,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,都出現了閉合的低值區,只是1997和2011年的最低值都在220 DU以上,未達到出現臭氧洞的標準。而2020年由于北極地區大氣環流異常,春季平流層極渦中溫度持續偏低,平流層冰晶云面積也創新高,臭氧的化學損耗更大,低值低于220DU,故而首次出現了臭氧洞。

在目前大氣環境被污染的情況下,南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞的是否出現都取決于南北兩極春季平流層極渦及其低溫狀態的變化。2020年春季首個北極臭氧洞的出現與春季平流層極渦的持續低溫有關,是由大氣環流等自然因素引起的,并無環境指示意義。

天氣和氣候是不同的概念,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,或出現了北極臭氧洞,就認為臭氧洞已被修復或環境條件變差。

“人類只有一個地球”,環境被污染后,其影響往往很難消除。一個氟里昂分子分解產生的氯離子可以消滅一萬個臭氧分子,而由溴化烴分解產生的溴離子對臭氧的破壞作用比氯離子還要大50 倍,它們自身都能再生,在大氣中的壽命都很長。即使目前人們不再向大氣排放這類污染物,其對臭氧的破壞影響仍可以維持幾十年。令人欣慰的是,由于國際社會的共同努力,特別是《蒙特利爾議定書》的執行,使目前大氣中消耗臭氧層物質的增長趨勢已被扼制,從總體上來說,氟利昂等主要ODS 已被禁止生產和使用,大氣中污染物濃度的增長速度在減慢,南極臭氧洞的面積將繼續保持穩定,然后開始緩慢減小,到2070年后有可能恢復到1980年的水平。但鑒于有報告稱ODS 中三氯氟甲烷(CFC-11)的排放自2005年以來并未出現預期的下降,特別是2012年以來其在大氣中濃度的下降速度明顯減緩,如果這種趨勢持續下去,可能會讓南極臭氧洞的恢復時間延遲10年以上。

近年來中國經濟持續高速發展,對使用ODS的制成品需求也在日益增加。雖然生態環境部對包括CFC-11 在內的ODS的非法生產和使用零容忍,但保護臭氧層的工作仍任重道遠。