2020年:首个北极臭氧洞

臭氧层是地球生命的保护伞,它的变化对地球生态系统和大气环境有重要影响。自20世纪80年代中期春季南极臭氧洞发现以来,每年春季南极地区都会出现臭氧洞;而在北极春季,2019年前均未出现过臭氧洞,只是2020年春季才首次出现北极臭氧洞。如图所示,2020年3月的蓝色区域为臭氧低值区,其中最低值为205 DU,而在1979—2019年的同期,北极地区却为臭氧高值区。2020年春,北极上空出现了自南极臭氧洞发现以来的首个北极臭氧洞,随着平流层温度逐渐升高,4月中下旬,北极地区臭氧低值升至220 DU以上,北极臭氧洞不复存在。

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

自20世纪70年代末以来,全球臭氧总量是下降的,尤其是在南极地区下降最明显。1984和1985年,日本和英国科学家先后报道,春季南极站观测到的大气臭氧总量值与10年前相比减少了30%～40%,随后美国科学家用卫星资料也证实了这一结果。在春季,南极地区臭氧总量急剧减少,会出现低于全球平均值30%～40%的闭合低值区(通常这个值设定为220 DU),与周围地区相比,就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”,这就是南极臭氧洞。“臭氧洞”这个形象的称谓由此而来。

南极臭氧洞并不是全年都存在的,只在南极春季出现。通常南极臭氧在7月下旬开始减少,8月中旬后就出现较为明显的臭氧洞,9月下旬到10月上旬臭氧洞的面积最大,10月底后臭氧急剧增加,臭氧洞逐渐被填塞,12月中旬恢复正常,就不再有臭氧洞了。

南极臭氧洞的强度和范围时大时小,各年是有变化的,“空洞”中的最低值也是波动的。1979年春季,南极地区刚出现臭氧洞时,范围并不大,随后臭氧洞的范围逐年扩大;1988年后稍有缓和;1990年后南极“臭氧洞”现象再次加剧,维持时间也加长。2000和2006年南极臭氧洞最大时面积超过2 900万平方公里,差不多有三个中国那么大,占据了整个南极洲,其中心地区的臭氧总量与正常值相比,耗损70%左右;而在2002年,南极臭氧洞最小面积不到300万平方公里,只有近10年来平均值的1/7。

南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。人类活动排放的氟里昂和溴化烃等含氯和溴的化合物是破坏大气臭氧层的元凶。在南极地区的实地考察研究也找到了氯氟烃等物质消耗臭氧层的确凿证据。这类污染物质的化学性质十分稳定,被泄漏排放到大气中后滞留的时间很长。这些大气污染物在大气垂直环流作用下会从对流层到达平流层,并通过大气环流的远距离输送和极涡的辐合效应在极地平流层中聚合起来。人类活动排放到大气中的消耗臭氧层物质(ozone depleting substances,ODS),在极地平流层低温条件下形成的冰晶云(PSCs)或液态硫酸气溶胶表面通过光化学反应大量消耗臭氧,而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶只有在温度低于–78℃时才出现。极地平流层极涡能为南极臭氧洞的形成提供相对封闭的动力背景,其春季低温则为平流层冰晶云的形成创造条件。

大气中存在有人类活动排放的氟里昂和溴化烃等消耗臭氧层的物质(人为因素),是春季南极臭氧洞形成的一个必要条件;而春季南极平流层极涡中较长时间的低温(自然因素),则是南极春季臭氧洞形成的又一必要条件。只有同时满足这两个条件,在平流层极涡中低温(温度低于–78℃)条件下形成的冰晶云或液态硫酸气溶胶表面吸附了大气污染物质,才能在太阳光照耀下,激发氯和溴的活性,通过光化学反应大量消耗臭氧,在南极春季形成臭氧洞。

在南极,冬季平流层极涡的温度很低,通常在极夜结束后的春季,低温尚能维持一段时间,有利于臭氧洞的形成,导致每年春季南极地区都会出现臭氧洞;也正是由于平流层温度、极涡强度和位置的变化,造成了各年南极臭氧洞强度和范围的变化。值得注意的是,除2019年异常偏小外,2002和1988年也显著偏小,这都与南极大气环流和平流层极涡变化所导致的春季平流层异常增温有关;南极臭氧洞偏大的年份(如2006、1998、2003和2015年),则无一不是春季平流层极涡偏强、温度偏低。

北极更加接近人类活动的地区,北极大气中污染物的浓度也比较高,与南半球相比污染更为严重,南北两半球海陆分布差异等对气候和大气环流也有很大影响。无论冬、春,北极平流层极涡中温度都比南极高,特别进入春季以后北极极涡很快崩溃、温度升高。春季,当极夜后太阳光再次照耀北极地区时,平流层极涡中的温度大都在–78℃以上,很难满足形成平流层冰晶云的必要条件,而且在春季北极地区臭氧总量通常为400～500 DU的高值区,故2019年以前,北极春季没有出现过臭氧洞。

在1997、2011和2020年春季,平流层极地涡旋中温度异常偏低,大气臭氧的化学亏损严重,都出现了闭合的低值区,只是1997和2011年的最低值都在220 DU以上,未达到出现臭氧洞的标准。而2020年由于北极地区大气环流异常,春季平流层极涡中温度持续偏低,平流层冰晶云面积也创新高,臭氧的化学损耗更大,低值低于220DU,故而首次出现了臭氧洞。

在目前大气环境被污染的情况下,南极臭氧洞的变化和北极臭氧洞的是否出现都取决于南北两极春季平流层极涡及其低温状态的变化。2020年春季首个北极臭氧洞的出现与春季平流层极涡的持续低温有关,是由大气环流等自然因素引起的,并无环境指示意义。

天气和气候是不同的概念,正如在全球变暖的大背景下,不能因某一年偏冷,就认为气候在变冷;同样,也不能因某一年南极臭氧洞偏小,或出现了北极臭氧洞,就认为臭氧洞已被修复或环境条件变差。

“人类只有一个地球”,环境被污染后,其影响往往很难消除。一个氟里昂分子分解产生的氯离子可以消灭一万个臭氧分子,而由溴化烃分解产生的溴离子对臭氧的破坏作用比氯离子还要大50 倍,它们自身都能再生,在大气中的寿命都很长。即使目前人们不再向大气排放这类污染物,其对臭氧的破坏影响仍可以维持几十年。令人欣慰的是,由于国际社会的共同努力,特别是《蒙特利尔议定书》的执行,使目前大气中消耗臭氧层物质的增长趋势已被扼制,从总体上来说,氟利昂等主要ODS 已被禁止生产和使用,大气中污染物浓度的增长速度在减慢,南极臭氧洞的面积将继续保持稳定,然后开始缓慢减小,到2070年后有可能恢复到1980年的水平。但鉴于有报告称ODS 中三氯氟甲烷(CFC-11)的排放自2005年以来并未出现预期的下降,特别是2012年以来其在大气中浓度的下降速度明显减缓,如果这种趋势持续下去,可能会让南极臭氧洞的恢复时间延迟10年以上。

近年来中国经济持续高速发展,对使用ODS的制成品需求也在日益增加。虽然生态环境部对包括CFC-11 在内的ODS的非法生产和使用零容忍,但保护臭氧层的工作仍任重道远。