低溫和極地渦旋破壞北極臭氧層

2020-11-27 中國氣象局

　　事件：

　　4 月初，歐洲空間局（ESA）稱，北極上空出現了 25 年來最大面積的臭氧層空洞。

　　《自然》雜誌稱 2020 年北極上空臭氧含量創下歷史新低，將作為一種非凡的大氣現象載入史冊。隨著氣溫逐漸升高，4 月中下旬，北極臭氧空洞恢復。

　　本期嘉賓：

南京信息工程大學環境科學與工程學院教授 楊洋

中國氣象科學研究院研究員 陸龍驊

　　採訪人：

中國氣象報記者 簡菊芳

　　本期觀點：

　　今年北極的臭氧空洞由超強極地渦旋造成，其作用產生的極地平流層雲中的非均相化學反應釋放氯原子等物質損壞臭氧層

　　臭氧層破壞不能忽視人為因素的作用，需要全球行動減少人為破壞來保護臭氧層

　　低溫是破壞臭氧層的催化劑

　　臭氧層位於距離地球上空10 千米至50 千米的大氣層中，可有效阻擋來自太陽的紫外線輻射，也被稱為地球保護層。如果某處臭氧層中臭氧含量減少到正常值的50%以下，科學家就稱之為臭氧洞。陸龍驊進一步解釋，臭氧洞是有嚴格科學定義的，至少應具備臭氧低值在220DU 以下、臭氧低值區範圍超過百萬平方千米、臭氧低值區持續時間長（2~4個月）等條件。

　　以南極為例，冬季（8 月~10 月）由於沒有熱能或熱能很弱，氣溫穩定下降，上層大氣變冷。此時，被稱為極地渦旋的環極氣流將南極大陸上空的冷氣團圍住形成渦旋，這個渦旋就像一個「絕緣體」可隔絕內部空氣與外部大氣。

　　楊洋解釋，當渦旋內氣溫下降到-80℃時，內部形成極地平流層雲，平時不算活躍的氯原子在極地平流層雲晶體表面發生非均相化學反應，釋放出活性形式的氯原子，加上可見光和紫外光的推波助瀾，分解出破壞臭氧的游離態氯原子，從而使該區域臭氧遭受到大幅度破壞而形成臭氧洞。同理，含溴化合物也在低溫的催化下破壞臭氧層。

　　臭氧層破壞需要有極地平流雲的形成和非均相化學反應兩個條件。也就是說，大氣環流對臭氧洞的影響是動力性的，極地渦旋為南北極春季臭氧洞的形成提供了封閉的動力環境。首先極地渦旋要隔絕內外溫度，使其內部氣溫保持在-80℃以下；其次就是極地平流層雲上發生的非均相化學反應，釋放出活性氯原子從而破壞臭氧層。此外，人類活動釋放氟利昂、甲基溴等物質也是臭氧層破壞的一個因素，引起了國際範圍的關注和行動。

　　破壞臭氧物質的釋放和觸發

　　自上世紀80 年代南極臭氧洞發現以來，每年春季南極地區都會出現臭氧洞，而北極極少出現。這是因為北半球地形變化尺度大，且風場是經向的（沿著經度線移動），因此，赤道與極地的空氣混合較好，這導致北極冬季氣溫總體上比南極高10℃左右。

　　實際上，在正常情況下，北極圈內溫度通常高於-80℃，不易形成極地平流層雲。另外，北極的「高溫」也容易破壞極地渦旋，較難催化出破壞臭氧層的活性氯原子。所以，北極的臭氧損耗雖然也比較嚴重，但還沒有達到「臭氧洞」的程度。

　　觀測數據也可以佐證，春季北極臭氧總量多維持在400DU~500DU 的高值區，只有1997 年、2011 年和2020 年情況特殊，由於春季平流層極地渦旋中溫度異常偏低，出現了北極地區大氣臭氧總量的異常低值。北極臭氧損耗多發生在冬春季（12 月至次年2 月）溫度較低的時間，其他季節不會出現臭氧空洞。

　　北極臭氧損耗持續時間也取決於溫度回暖的時間，一般冬季的中期北極就開始變暖，臭氧層逐漸恢復。但是2020年北極氣溫偏低，極地渦旋極強，導致這次北極臭氧空洞持續時間較往年偏長，直至4 月下旬才恢復。

　　北極臭氧損耗的現象沒有南極嚴重，原因在於這兩個極地大氣環流型不同，平流層的氣候不同。北半球地形大尺度變化，陸地、海洋溫差大，經向風場使赤道與北極的空氣混合較好，富含臭氧的空氣從赤道向極地輸送。因此，北極的極地渦旋不像南極那樣與外部空氣隔絕。南極則正相反，溫度低，與赤道的空氣混合弱，很難得到赤道富含臭氧空氣的補給。

　　雖然冷空氣是北極臭氧損耗形成的重要推手，但是，卻不是直接「元兇」，它只是一劑極地平流層雲形成的催化劑，而極地平流層雲上發生的非均相化學反應釋放出的氯原子才是直接造成臭氧消耗的「殺手」。

　　減少人為破壞仍有必要

　　臭氧空洞形成需要氣象因素和化學反應，因此，衡量平流層臭氧的變化需要綜合考慮。另外，極地渦旋和冷空氣的強弱主要取決於地球內部震蕩過程，其冷暖切換隨著震蕩而隨機變化，這是人類很難把握的自然因素。

　　但是，人為破壞依然是一個重要的因素。陸龍驊表示，人類活動排放含氯和溴汙染物也是極地臭氧損耗和臭氧洞形成的條件之一；在目前大氣環境情況下，南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞是否出現，取決於南、北極春季平流層極渦及其氣溫變化。1989 年，蒙特婁議定書生效之後，在全球行動下，南極臭氧層逐漸恢復，2019年，南極臭氧洞為自蒙特婁議定書籤訂之後最小的一年。

　　從化學物種上來說，當蒙特婁議定書中受控的氟利昂和哈龍相繼淘汰後，甲基溴就成為比較重要的消耗臭氧物質，這種物質一部分來自於人為排放，例如農業和生物質燃燒，一部分來自於自然源。目前，全球正在從觀測角度找到部分不確定排放源，同時也在積極淘汰臭氧層破壞物質。

　　楊洋表示，儘管目前科學界尚無明確證據表明氣候變暖對其產生的影響，但在氣候變化的大背景下，極端天氣氣候事件發生頻次增多、強度更強，這或許也是導致極地臭氧層遭到破壞的因素之一。

　　（來源：《中國氣象報》2020年5月13日三版 責任編輯：王美麗）

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