高登義
周立波
■ 新聞緣起
發表在英國《自然》周刊上的一份研究報告說：「北極地區上方的臭氧層首次出現大面積空洞，足以被稱為『北極臭氧洞』。」也有報導稱，北極上方出現了一個面積達到加利福尼亞州5倍的臭氧洞，這個規模空前的空洞有時會向東歐、俄羅斯和蒙古地區移動，因而當地人受到的紫外線照射強度會增加，但不會持久。
長期以來，南極地區臭氧層縮小的規模一直都比北極地區大，因為前者的氣溫要比後者低得多。但在近期，類似於「北極上空疑現首個臭氧洞，或已延伸到紐約上空，面積大如美國大陸」的消息屢見不鮮。眾所周知，臭氧層能夠過濾掉太陽光中對植物造成損害並導致皮膚癌和白內障的紫外線，那麼，臭氧層的破壞對人類勢必會造成影響，所以這一消息引起了人們的廣泛關注。
真相究竟如何？北極的臭氧洞到底是怎麼回事？本期科技之謎與中科院大氣物理研究所高登義研究員、周立波副研究員共同為您答疑釋惑。
臭氧低值區？還是臭氧洞？
據國家衛星氣象中心監測數據顯示，風雲三號衛星臭氧總量探測儀在北極上空監測到一個明顯的臭氧低值區，在該低值區內臭氧總量是正常情況下平均值的一半左右，部分地區的臭氧總量達到了臭氧洞的標準。
難道北極臭氧洞已經形成？對此，高登義研究員表示：「從目前觀測資料來講，只有南極上空出現臭氧洞，北極上空以及青藏高原上空它們現在只存在臭氧低值區，在某一地區相對其他地區來講臭氧總量含量要相對較低，但從氣候平均值來看，並沒有低於220多普森單位，所以，嚴格意義來講，除了南極以外其他地區還沒有發現臭氧洞的存在。不過在某一天中出現臭氧含量低於220多普森單位的臭氧含量的情況是存在的，但是我們說的臭氧洞是一個氣候比例概念，是用一個相對的時間段裡出現的平均值衡量的，兩者之間存在一定區別。」
自然？還是人為？
之前，人們認為臭氧層的破壞僅僅是弗裡昂氣體的作用，後來科學家們提出來一個問題，人類主要活動在北半球而並非南半球，如果南極臭氧洞形成的原因只是人為因素造成的話，那為什麼在北極上空並沒有臭氧洞呢？
「臭氧洞的形成，受到自然與人為兩種因素影響。」高登義研究員說：「比如南極臭氧洞，我們知道南極地區是以南極洲大陸為主的地理單元，而南極洲大陸是世界上最大的一個冰蓋，這個地區不僅儲存了世界上冰雪的70%左右，而且厚度也非常深，因此它對於大氣來講，它是一個很大的冷源。只有南極洲特殊冰蓋的這個條件，在南極過渡季節的時候，平流層會出現一個低於零下80℃以上的溫度，從而產生冰晶雲，這個冰晶雲類似於催化劑，會加速氮氧化物的破壞。氮氧化物從一定意義上講是臭氧的一個保護層，我們曾經觀察過，氮氧化物含量高的時候，臭氧總量就會相應增高。由於形成了這個低於零下80℃的冰晶雲以後，從而提供了弗裡昂氣體中的氯離子和臭氧發生化學反應的條件，把三氧分解為一氧和二氧。它會破壞氮氧化物，因此，使得臭氧含量減少，因為我們人類排放的氟裡昂裡面的氯離子，在這個時候提供了它和臭氧發生化學反應，分解為氧分子和氧原子。」
氣溫升降惹的禍？
有報導稱，北極出現的臭氧洞主要與2011年北極地區平流層內極低的溫度和北極極渦長時間的維持有關，但科學家表示相關研究還在進行當中。
那麼氣溫與臭氧究竟存在怎樣的聯繫？周立波副研究員解釋說：「氣溫是臭氧洞形成和演變的重要要素，但不是唯一因素。氣溫的升降直接決定了極地平流層冰晶雲的形成：沒有極低的氣溫，就不可能形成極地平流層冰晶雲，後者是導致臭氧洞形成和維持的重要因子。相對於南極地區，北極地區海陸差異更大，由此動力學影響也更為明顯。所以影響北極地區的臭氧虧損機制比南極地區的臭氧虧損要複雜得多，例如人類活動產生溫室氣體帶來的氣候效應、極地渦旋維持的強度和時間長短以及極區內大氣化學產生的臭氧消減等等。」
南北極臭氧低值有啥不一樣？
北極的上空以及青藏高原上空確實出現了臭氧低值區，但是形成的原因與南極是完全不一樣的。
高登義研究員說：「在北極，北大西洋暖流把中低緯度的暖溼海水源源不斷地往高緯度輸送，北大西洋暖流輸送有一個移動的路徑，在它移動過的地方正好是在我們北極圈裡面，在這個地方海表溫度非常高，而北大西洋暖流不經過的地方可能存在冷流，因此使得在北極地區東西方向海表溫度的差異非常大，這個差異根據科學家們的計算結果能夠使得北極地區上空的臭氧的含量減少。這種差異會帶來一種垂直的環流，空氣往上運動的時候就把低海拔地區的空氣帶到了高海拔地區上空，偷梁換柱的把臭氧含量濃度低的空氣替換了北極地區上空臭氧濃度高的空氣，這個原因與南極地區完全不一樣。」
臭氧值能否恢復正常？
現在北極地區臭氧低值區仍然存在。在此之前，科研機構在3月份和4月初的大約27天中觀察到極低的總臭氧濃度(低於250多普森單位)。臭氧層的縮小開始於今年1月，在2月底和3月進一步加劇。因此，極地漩渦地區的臭氧濃度在3月初至4月底期間要比平時低得多。4月底後，極地漩渦就會消失。
對此，高登義研究員表示：「北極地區臭氧低值區仍然存在，不過一般臭氧低值區這種狀況，與全年相比就是出現在某個季節，基本上是在3月份4月份。包括南極上空的臭氧洞也並不是一直存在。
北極臭氧稀薄也就是出現在春天，1月和2月，北極都是極夜，幾乎看不到太陽；3月—4月，臭氧濃度會變得相對稀薄，之後，就會逐漸恢復正常。南極和北極上空的臭氧濃度變化，國際上一直密切監控，而且監控數據全球分享。
■ 專家連線
臭氧洞存在縮小的可能性
高登義：中科院大氣物理研究所研究員
我們現在觀測資料非常短，比較可用的衛星觀測資料是從1979年開始的，也就是說1979年之前極地臭氧狀態究竟是什麼樣， 我們無從考證。至於人為的幫助還要看形成原因是什麼。
我們現在有很多限制氟利昂氣體排放的公約，現在空調都改用無氟，這個是我們可以彌補的，但是北極臭氧低值和青藏高原地區，與人類沒有太大的關係，它們主要受自然界中氣候的變化影響。
周立波：中科院大氣物理研究所副研究員
臭氧層在大氣中是極其脆弱的一層氣體，如果在0℃溫度下，沿著垂直方向將大氣中的臭氧全部壓縮到一個大氣壓，那麼臭氧層的總厚度只有3毫米左右。近幾年，南極臭氧洞有縮小的現象。臭氧值沒有以前那麼低了。臭氧洞存在消失的可能，但前提是世界各國遵守溫室氣體排放的有關協議，例如蒙特婁公約和京都議定書等。
臭氧洞的形成會對人類造成很大的影響，例如皮膚癌等疾病的增加。科學家認為，南極臭氧空洞並未如預期的那樣很快縮小，只有到了2018年前後臭氧空洞的尺寸才會有顯著的變化。
延伸閱讀
南極臭氧洞四問
南極臭氧洞是怎麼回事？
大氣中的臭氧是陽光中的紫外線作用於氧分子，氧分子分解成氧原子，氧原子和氧分子結合形成臭氧。臭氧大部分存在於平流層10—50千米高度，其最大密度在20千米高度左右。臭氧的總含量還不到地球大氣分子數的100萬分之一，如果把大氣中的臭氧集中在海平面的高度，它只有大約3毫米的厚度。太陽光中含有一種叫紫外線，公認為皮癌和白內障的元兇。由於臭氧能吸收太陽光中的紫外線，因此保護地球上生物免受滅頂之災。
英國南極考察科學家於1985年報導發現南極上空的臭氧空洞。每年的8月下旬至9月下旬，在20千米高度的南極大陸上空，臭氧總量開始減少， 10月初出現最大空洞，面積達2000多萬平方千米，覆蓋整個南極大陸及南美的南端，11月份臭氧才重新增加，空洞消失。
南極臭氧洞是怎麼形成的？
研究表明，人類的活動，特別是大量使用作為製冷劑和霧化劑的氟利昂，是產生南極臭氧洞的重要原因。人類在生產和生活中洩漏到大氣中的氟利昂在高層大氣中經紫外線分解成氯原子，氯原子使臭氧產生了分解。在南極上空20千米的高度，因溫度非常低，易生成冰晶雲，這種雲加劇了氯的催化作用，使大量的臭氧被分解。南極封閉的大氣環流系統使得被分解的臭氧得不到補充。所以，大氣中的化學反應和大氣運動相輔相成，緊密相關，在南極上空形成臭氧空洞。
南極臭氧洞有什麼危害？
臭氧洞到底有什麼危害呢？簡單說來，臭氧洞的危害是，透過臭氧洞的強烈紫外線對人和生物有殺傷作用。在醫院和實驗室裡，人們常用紫外線光消毒，殺死細菌和病毒，就是這個道理。在陽光下曝曬，人的皮膚會變黑，也是這個道理。不過，在通常情況下，來自陽光的紫外線是比較弱的，不足以對人起傷害作用。在自然界裡，太陽光的紫外線不容易直接到達地面，這是因為在地球的大氣圈中有一層一層臭氧層，有效地阻止了太陽光的紫外線到達地球。一旦臭氧量減少，大氣圈中的臭氧層變稀薄，甚至出現空洞，障礙消除了，紫外線就會暢通無阻地穿過大氣層，射到地球上。
南極洲有沒有抗紫外線的生物？
研究發現，生物受到紫外線損傷後，有一定的修復能力。美國科學家發現，溫帶地區的生物具有修復損傷的機制，似乎是在細胞水平和分子水平上進行修復。南極洲的生物也利用溫帶生物類似的方式，修復被損傷的細胞。他們對海洋細菌、硅藻、磷蝦、大型海藻、帽貝、海參和海星等進行了研究，評價了這些生物對紫外線損傷的修復能力。生長在南極的陸地植物地衣，也有抗紫外線輻射的能力。生活在南大洋海冰中的大類海洋浮遊植物，人們稱之為「冰藻」，它對強烈的紫外線有「屏蔽」作用，使紫外線不能透過冰藻層。這樣既保護了冰下的生物，又使自己免於傷害。