南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)、研究和啟示

陸龍驊

（中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)、研究和啟示

陸龍驊

（中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京 100081）

回顧了南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，評(píng)述了南極臭氧洞形成和發(fā)展的機(jī)制、以及南北極臭氧變化的差異，討論了南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和研究帶來(lái)的啟示。研究指出，目前只是在南極春季出現(xiàn)了臭氧洞，北極并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)臭氧洞。在當(dāng)前大氣環(huán)境被污染的情況下，極地大氣臭氧虧損的程度將更多地隨大氣環(huán)流，特別是極地渦旋中的低溫狀況而發(fā)生變化。

南極臭氧洞，消耗臭氧層物質(zhì)，極地平流層云，極地渦旋

0　引言

全球大氣平流層臭氧減少、南極春季出現(xiàn)臭氧洞，與全球二氧化碳增加、近百年全球變暖一樣，是人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。因?yàn)槌粞鯇邮堑厍蛏谋Ｗo(hù)傘，它的變化對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)和大氣環(huán)境有重要影響。

大氣臭氧是一種重要的痕量氣體，它主要分布在平流層，通常最大濃度出現(xiàn)在離地20～25km的地方。臭氧層大量吸收來(lái)自太陽(yáng)的紫外輻射，其中對(duì)生物特別有害的UV-B輻射大部分（95%）被吸收。全球臭氧層變薄將使到達(dá)地面的紫外線增強(qiáng)，通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的煙霧會(huì)惡化近地面空氣質(zhì)量，從而影響生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)人類健康有潛在或直接的影響。此外，臭氧本身也是一種溫室氣體，其濃度及在大氣中的分布也會(huì)對(duì)地球大氣溫室效應(yīng)有所貢獻(xiàn)。 近50年來(lái)，人們對(duì)全球臭氧總量減少十分關(guān)注。特別是自20世紀(jì)80年代中期發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞以來(lái)，各國(guó)政府和科學(xué)家都加強(qiáng)了對(duì)南極大氣臭氧變化的監(jiān)測(cè)和研究。南極“臭氧洞”的出現(xiàn)使得大氣臭氧層的保護(hù)真正進(jìn)入了公眾的視野。1987年，各國(guó)政府簽訂了旨在保護(hù)大氣臭氧層的限制和最終禁止排放損耗大氣臭氧的氟氯烴類化合物（以氟利昂和哈龍為代表）的蒙特利爾協(xié)議。值得欣慰的是，《蒙特利爾議定書(shū)》的嚴(yán)格執(zhí)行，扼制了氟里昂等污染物的濃度在大氣中的增長(zhǎng)，而且目前已出現(xiàn)了緩慢下降趨勢(shì)，南極臭氧也有望在2070年前后恢復(fù)到1980年的水平。

為了加強(qiáng)人們對(duì)臭氧層保護(hù)的認(rèn)識(shí)，世界氣象組織（WMO）秘書(shū)處自1991年起，在每年8—12月的南極臭氧洞期間，都通過(guò)全球電信系統(tǒng)（GTS）發(fā)布南極臭氧公報(bào)。從1995年起，各期南極臭氧公報(bào)都可以在互聯(lián)網(wǎng)上獲得，其中，也包括了我國(guó)南極中山站的大氣臭氧觀測(cè)資料。

本文回顧了南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)及變化，評(píng)述了南極臭氧洞發(fā)生和變化的原因以及南北極臭氧變化的差異，討論了南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和研究給人們的啟示。

1　春季南極“臭氧洞”的發(fā)現(xiàn)和變化

目前，科技界大多認(rèn)為是英國(guó)科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)了南極臭氧洞[1]。

1985年，英國(guó)科學(xué)家Farman等[2]利用1957—1984南極Halley站的資料（圖1），在Nature雜志上報(bào)道了該站觀測(cè)到的自1970年以來(lái)伴隨南半球平流層大氣氟氯碳化物濃度的增加，南極春季大氣臭氧總量出現(xiàn)急劇減少的現(xiàn)象，并明確指出這一現(xiàn)象與當(dāng)時(shí)數(shù)值模式模擬30°N大氣臭氧的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)是不一樣的。Farman等[2]認(rèn)為，在春季平流層低溫條件下，人類活動(dòng)排放的污染物質(zhì)（ClOx和NOx）在紫外輻射作用下的化學(xué)反應(yīng)，能解釋南極大陸上空臭氧總量的巨大損耗。文章發(fā)表后在科技界引起了巨大的反響，也有很多科學(xué)家對(duì)此提出了質(zhì)疑[3-4]。質(zhì)疑主要來(lái)自兩個(gè)方面。首先，當(dāng)時(shí)的大氣科學(xué)界大都認(rèn)為，極地是大氣化學(xué)反應(yīng)的惰性區(qū)域，主要由日光驅(qū)動(dòng)的平流層化學(xué)模式并沒(méi)有指出在南極會(huì)出現(xiàn)臭氧層異常[1]；其次，人類已進(jìn)入衛(wèi)星大氣探測(cè)時(shí)代，NASA的衛(wèi)星早就開(kāi)始了全球大氣臭氧探測(cè)，為什么不是NASA的科學(xué)家，而是地基單站觀測(cè)發(fā)現(xiàn)如此重要的南極春季大氣臭氧總量急劇減少現(xiàn)象？

圖1　南極Halley站大氣臭氧總量和南半球F11（CFCl3）、F12（CF2Cl2）月平均值的變化：（a）1957—1984年10月，（b）1958—1984年2月。（注：F11和F12均為人造污染物質(zhì)，圖中F11和F12的縱座標(biāo)均為向下為增加）［2］Fig. 1 Monthly means of total O3at Halley Bay， and Southern Hemisphere measurements of F11 and F12： （a）October， 1957-1984； （b） February， 1958-1984（F11 and F12 belong to man-made pollutant. F11 and F12 amounts increase down the figure）［2］

實(shí)際上，最早報(bào)道春季南極地區(qū)大氣臭氧總量減少的是日本科學(xué)家Chubachi[5-6]。1984年，他利用1982年2月—1983年1月的日本南極昭和站的大氣臭氧觀測(cè)資料（圖2），報(bào)道了1982年春季（9—10月）昭和站上空大氣臭氧總量異常減少，以及與平流層下部溫度增加有關(guān)的在10月底大氣臭氧總量又突然增加的現(xiàn)象，指出自1966年起，每年9—10月在昭和站都觀測(cè)到了大氣臭氧總量的低值。這一現(xiàn)象在美國(guó)南極點(diǎn)站（Amundsen-Scott）也存在。

圖2　1982年2月—1983年1月南極昭和站、極點(diǎn)站的大氣臭氧變化［5］Fig. 2 Comparison of total ozone at Amundsen-Scott with that at Syowa Station observed in February 1982 till January 1983［5］

在日本和英國(guó)科學(xué)家開(kāi)展了研究后，1986年美國(guó)NASA的科學(xué)家Stolarski等[7]用雨云-7氣象衛(wèi)星的大氣后向紫外散射/臭氧總量測(cè)繪系統(tǒng)（SBUV/TOMS）資料證實(shí)了上述結(jié)果。衛(wèi)星探測(cè)結(jié)果表明，春季大氣臭氧總量的損耗出現(xiàn)在整個(gè)南極地區(qū)，在南極大陸上空，出現(xiàn)了大氣臭氧總量的低值中心。這種減少發(fā)生在南極極夜結(jié)束后太陽(yáng)光再次照射南極的9月，10月中旬出現(xiàn)臭氧總量的最低值。1979—1985年，10月的臭氧最小值較早先同期減少了40%（圖3）。

在春季，南極地區(qū)臭氧總量急劇減少，會(huì)出現(xiàn)低于全球平均值30%～40%的閉合低值區(qū)（通常這個(gè)值設(shè)定為220 DU），與周?chē)貐^(qū)相比，就顯得南極大陸上空出現(xiàn)一個(gè)臭氧低值的“空洞”，這就是南極臭氧洞（圖4）。

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)充滿了喜劇性。Chubachi最早報(bào)道的春季南極地區(qū)大氣臭氧異常減少現(xiàn)象，正是由于南極臭氧洞引起的。只是他當(dāng)時(shí)把注意力放在臭氧總量出現(xiàn)低值后的突然增加，并正確指出了這種增加與平流層增溫有關(guān)；但可惜的是他并未敏感地抓住大氣臭氧異常減少現(xiàn)象，并討論其可能原因。加之Chubachi最早是在日本國(guó)內(nèi)發(fā)表論文，雖當(dāng)年在希臘臭氧國(guó)際會(huì)議上也作了報(bào)告[6]，但其國(guó)際影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上Farman等在Nature上發(fā)表的論文。而且，F(xiàn)arman的論文，不但揭示了南極春季大氣臭氧總量急劇減少現(xiàn)象，還正確指出了這一現(xiàn)象的可能原因。從學(xué)術(shù)上來(lái)說(shuō)，其影響也要比Chubachi大。

圖 3 1979—1985年10月南極地區(qū)大氣臭氧總量的月平均分布（陰影為臭氧月平均總量＞390 DU的區(qū)域）［7］Fig. 3 October monthly means of total ozone over Antarctica from 1979 to 1985 （the shaded regions indicate monthly mean total ozone amounts of ＞390 DU）

圖4　南極臭氧洞（來(lái)源：http：//ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ facts/hole_SH.html）Fig. 4 The ozone hole over Antarctica

Farman與美國(guó)NASA科學(xué)家關(guān)于南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)也有一番爭(zhēng)論。據(jù)說(shuō)NASA負(fù)責(zé)衛(wèi)星資料處理的人曾承認(rèn)，他們于Farman發(fā)表文章的前一年，就在希臘臭氧國(guó)際會(huì)議上聽(tīng)說(shuō)日本人發(fā)現(xiàn)了南極春季臭氧減少[4]，此后才考慮了被衛(wèi)星軟件自動(dòng)忽略的“異常數(shù)據(jù)”，證實(shí)了春季南極臭氧洞的存在。因此，雖然現(xiàn)在大多認(rèn)為是Farman首先發(fā)現(xiàn)了南極臭氧空洞，實(shí)際上Chubachi應(yīng)該是發(fā)現(xiàn)春季南極地區(qū)大氣臭氧異常減少，即南極臭氧洞的第1人（圖5）。

圖5　日本科學(xué)家忠鉢繁（Chubachi）Fig. 5 Japanese scientist Chubachi

在現(xiàn)代，重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都不可能是個(gè)人行為，就拿南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)來(lái)說(shuō)，雖Chubachi和Farman等最早報(bào)道了南極春季臭氧洞引起的臭氧異常減少現(xiàn)象，但由于用的是單站地面觀測(cè)資料，不能說(shuō)明其影響的空間范圍，在他們發(fā)表的文章中也未出現(xiàn)臭氧洞（ozone hole）一詞；Stolarski等在得知Chubachi和Farman等的發(fā)現(xiàn)后，修正了衛(wèi)星臭氧探測(cè)的資料處理程序，不但證實(shí)了他們的發(fā)現(xiàn)，還指出春季大氣臭氧總量的損耗出現(xiàn)在整個(gè)南極地區(qū)，在南極春季出現(xiàn)了大范圍的臭氧低值區(qū)域，給出了南極臭氧減少的總體圖像。只是在NASA科學(xué)家確認(rèn)南極春季大氣臭氧總量急劇減少現(xiàn)象后，南極臭氧洞一詞才成了公眾的語(yǔ)言。因此，他們3人及其所在的團(tuán)隊(duì)，都為南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)做出了貢獻(xiàn)。

南極臭氧洞并不是全年都存在的，而只是在南極春季出現(xiàn)。通常南極臭氧在7月下旬開(kāi)始減少，8月中旬后就出現(xiàn)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，臭氧洞逐漸填塞，12月中旬恢復(fù)正常（圖6）。

圖6　南半球7—12月臭氧平均分布（1979—2014年）Fig. 6 Average monthly maps of total ozone over the Southern Hemisphere for June-December from 1979 to 2014

南極臭氧洞的強(qiáng)度和范圍各年是不同的，“空洞”中的最低值也呈波動(dòng)狀。1979年春季，南極地區(qū)剛出現(xiàn)臭氧洞時(shí)，范圍并不大，隨后臭氧洞的范圍逐年擴(kuò)大；1988年后則稍有緩和；1990年以后，南極“臭氧洞”現(xiàn)象再次加劇，維持時(shí)間也加長(zhǎng)（圖7）。

2000年和2006年南極臭氧洞最大時(shí)面積超過(guò)2900萬(wàn)km2，其中心地區(qū)的臭氧總量與正常值相比耗損70%左右；而在南極臭氧洞最小的2002年12月，臭氧洞面積不到300萬(wàn)km2，只有近10年來(lái)平均值的1/7（圖8）。

我國(guó)的南極中山站位于東南極大陸邊緣（69°22'S，76°22'E），經(jīng)常處于極地渦旋和春季南極臭氧洞的邊緣，對(duì)南極臭氧洞的變化十分敏感。1993年，我國(guó)在中山站使用國(guó)際認(rèn)可的Brewer臭氧分光光譜儀，開(kāi)始了對(duì)大氣臭氧總量的地基觀測(cè)。圖9給出了南極中山站1978—2014年大氣臭氧總量月平均值的變化，其中1993年以前的資料，是據(jù)中山站上空NASA衛(wèi)星臭氧觀測(cè)結(jié)果擬合外延的。由圖4可以看出，春季（9—10月）我國(guó)南極中山站處于南極臭氧洞的下方，臭氧總量的月平均值也經(jīng)常低于220 DU；1995年前，中山站的大氣臭氧總量有總體減少的趨勢(shì)，而1995年后，則轉(zhuǎn)為緩慢增加的趨勢(shì)。南極中山站的大氣臭氧變化，與南極地區(qū)大氣臭氧及南極臭氧洞的變化是一致的。

在南極臭氧洞維持期間，也并不是南半球所有地方臭氧都同樣地減少，臭氧低值中心常常偏向于西南極的南極半島一側(cè)，且自1992年以來(lái)，南極臭氧洞都曾一度短暫地伸展到有人類居住的南美洲南端。其中，阿根廷烏斯懷亞（54°48'S，68°19'W）多次觀測(cè)到了低于150DU的極端低值。由于臭氧虧損使到達(dá)地面的紫外輻射強(qiáng)度劇增，這會(huì)帶來(lái)至今未知的嚴(yán)峻生態(tài)后果。

圖7　1979—2015年歷年9月南極臭氧月平均值分布Fig. 7 Monthly maps of total ozone over Antarctica for September from 1979 to 2015

圖8　2002年的南極臭氧洞異常Fig. 8 The anomalous 2002 Antarctic ozone hole

在南極臭氧洞期間，南半球中緯度地區(qū)，尤其是澳大利亞—新西蘭一側(cè)，經(jīng)常維持總量為350～450DU的臭氧高值區(qū)[8]。

2　南極臭氧洞形成機(jī)制的證實(shí)

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)，大大激發(fā)了各國(guó)科學(xué)家研究南極“臭氧洞”的興趣，對(duì)南極臭氧洞的形成機(jī)理也提出了各種解釋，其中主要有大氣動(dòng)力學(xué)、太陽(yáng)活動(dòng)和大氣化學(xué)過(guò)程三種解釋。

1）大氣動(dòng)力學(xué)解釋

圖9　南極中山站大氣臭氧總量月平均值的變化（1978—2014年）Fig. 9 Average monthly changes of total ozone over the Antarctic Zhongshan Station for 1978—2014

南極的冬季是極夜，收不到太陽(yáng)輻射，南半球的行星波活動(dòng)較弱，使南極平流層的大氣與周?chē)貐^(qū)的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量交換很少，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而大氣本身卻以長(zhǎng)波輻射的形式不斷往外放出熱量，在南極平流層形成環(huán)極渦旋（極地渦旋）。環(huán)極渦旋的范圍和形狀同南極臭氧洞相似，并且環(huán)極渦旋的平衡狀態(tài)在每年的春季被破壞，這與南極臭氧洞的出現(xiàn)和閉合好似有某種聯(lián)系。大量觀測(cè)事實(shí)也表明：近年來(lái)南極平流層春季溫度與臭氧總量的迅速下降存在著線性關(guān)系。南極平流層溫度每下降1℃，臭氧總量就會(huì)下降3%。因此有人認(rèn)為，南極臭氧洞是由大氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程造成的自然現(xiàn)象[9]。

2）太陽(yáng)活動(dòng)解釋

有人發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)黑子數(shù)與臭氧總量的變化存在顯著相關(guān)，并且臭氧總量的3年滑動(dòng)平均值與太陽(yáng)活動(dòng)一樣也有11年的周期[9]。南極地區(qū)是臭氧對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)最敏感的地區(qū)，除了太陽(yáng)紫外線輻射大大增強(qiáng)對(duì)臭氧的影響外，逐漸增多的大量的帶電粒子也會(huì)對(duì)南極臭氧洞的形成發(fā)生影響。也有人認(rèn)為隨著太陽(yáng)活動(dòng)峰年時(shí)，宇宙射線明顯增強(qiáng)，使大氣中的NO2和其他奇電子氮化合物的含量增加，會(huì)通過(guò)光化學(xué)過(guò)程破壞南極的臭氧層[9]。

3）大氣化學(xué)過(guò)程解釋

早在20世紀(jì)30年代，Chapman[10]就提出光化學(xué)反應(yīng)是大氣中臭氧生成和破壞的主要因素。20世紀(jì)70年代，美國(guó)政治界、企業(yè)界和科學(xué)界，還圍繞著氟里昂（CFCs）等人造化學(xué)物質(zhì)能否導(dǎo)致地球大氣臭氧層減薄，展開(kāi)過(guò)一場(chǎng)臭氧戰(zhàn)。1970年，Crutzen[11]發(fā)表了大氣中的NOx參與了損耗臭氧的催化反應(yīng)的研究結(jié)果，隨后來(lái)自超音速飛機(jī)尾氣排放的氮氧化物對(duì)平流層臭氧損耗也被關(guān)注；1974年，Molina等[12]發(fā)表了平流層是CFCs匯的文章，指出CFCs最終對(duì)平流層臭氧的危害遠(yuǎn)高于NOx，同年也有人發(fā)表了相似的研究成果[13]。 這些研究工作對(duì)平流層臭氧的損耗化學(xué)理論奠定了重要的基礎(chǔ)。持這種觀點(diǎn)的人認(rèn)為，正是人類活動(dòng)排放到大氣中的大量的含氯化合物（主要是氟里昂類物質(zhì)）參與的光化學(xué)反應(yīng)破壞了南極大氣臭氧層。但到20世紀(jì)80年代初，對(duì)這些工作的重視程度不夠，特別是1984年有人發(fā)表了用一維模式模擬30°N的大氣臭氧層受CFCs損耗的模擬結(jié)果[14]，錯(cuò)誤地認(rèn)為大氣臭氧層受CFCs的損耗情況不是很?chē)?yán)重，不足以引起臭氧層的長(zhǎng)期變化。

上述三種原因盡管都能在一定范圍內(nèi)和一定程度上解釋南極臭氧洞的形成，但它們各有片面性。大氣動(dòng)力學(xué)及太陽(yáng)活動(dòng)原因都不能解釋為什么臭氧洞只在20世紀(jì)70年代末才出現(xiàn)；也不能解釋已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的全球性的大氣臭氧總量下降，以及南極平流層冬、春季低溫與臭氧總量減少的因果關(guān)系。單純的大氣化學(xué)原因能解釋以上兩個(gè)問(wèn)題，卻無(wú)法說(shuō)明臭氧洞只出現(xiàn)在南極的春季，也無(wú)法解釋近年來(lái)南極臭氧洞的異常變化[9]。

為進(jìn)一步確認(rèn)南極臭氧洞的成因，各國(guó)科學(xué)家通過(guò)氣球、飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星及地面站等多種觀測(cè)方法獲取了大量資料，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了分析和模擬研究。其中，美國(guó)科學(xué)家1986年后進(jìn)行了多次綜合科學(xué)試驗(yàn)，通過(guò)南北極現(xiàn)場(chǎng)觀察和實(shí)驗(yàn)室工作相結(jié)合的方法，為解決這一難題提供了第一手證據(jù)[1]。美國(guó)南極McMurdo站的地基微波測(cè)量和ER-2飛機(jī)探測(cè)，都在南極平流層下部20km處實(shí)地觀測(cè)到了CIO的高值區(qū)。ER-2飛機(jī)觀察，不但測(cè)得了在南極圈有極端高的CIO，也觀測(cè)到了與極地平流層云（polar stratospheric clouds，PSCs）有關(guān)的真實(shí)的脫氮和脫水（圖10）。這兩個(gè)獨(dú)立的方法證明，人類釋放的碳氟化合物是導(dǎo)致臭氧耗損的首要因素。這種增強(qiáng)的臭氧損耗，發(fā)生在寒冷溫度時(shí)極地平流層的云的表面，與異種氯化學(xué)有關(guān)[1]。

圖10　1987年9月ER-2飛機(jī)觀測(cè)的高度約20km處的CIO、NOy和H2O的緯向分布［1］Fig. 10 Observations of the latitude gradients in ClO， NOy，and H2O near 20km altitude on a flight of the ER-2 aircraft in September 1987［1］

曾有兩屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的工作，與研究臭氧洞形成的原因有關(guān)[15]。1995年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三名大氣化學(xué)家：Crutzen（圖11）、Molina和Rowland，以表彰他們?cè)谄搅鲗映粞跹芯款I(lǐng)域所做貢獻(xiàn)；南極“臭氧洞”的發(fā)現(xiàn)及臭氧洞形成機(jī)制的確認(rèn)，是他們?nèi)猾@得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的重要基礎(chǔ)。Ertl因在固體表面的化學(xué)過(guò)程研究中的貢獻(xiàn)獨(dú)得了2007年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，而表面化學(xué)過(guò)程也是導(dǎo)致臭氧層被破壞的重要過(guò)程。

圖11　2008年6月臭氧會(huì)議上，Crutzen與作者合影Fig. 11 Paul Crutzen and Lu Longhua at a meeting with regard to ozone research in June 2008

南極臭氧洞是大氣動(dòng)力學(xué)、大氣化學(xué)和平流層冰晶云等三個(gè)因素相互作用和影響的產(chǎn)物。大氣環(huán)流，特別是平流層極地渦旋的活動(dòng)是臭氧洞形成的不可缺少的外部因素[15]。

南極臭氧洞的出現(xiàn)與人類活動(dòng)關(guān)系密切。為制造冰箱和空調(diào)器等，人類發(fā)明和使用了氟里昂、溴化烴等含氯和溴的化合物，正是這類污染物質(zhì)導(dǎo)致了臭氧層的破壞，在南極地區(qū)的實(shí)地觀測(cè)也找到了氯氟烴等物質(zhì)消耗臭氧層的確鑿證據(jù)[1]。這類污染物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，在大氣中滯留的時(shí)間很長(zhǎng)；在大氣垂直環(huán)流作用下會(huì)從對(duì)流層到達(dá)平流層，并通過(guò)大氣環(huán)流的遠(yuǎn)距離輸送和極渦的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)在極地平流層中聚合起來(lái)。人類活動(dòng)排放到大氣中的氟里昂、溴化烴等含氯和溴的消耗臭氧層物質(zhì)，在極地平流層低溫條件下形成的冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，會(huì)通過(guò)非均相化學(xué)反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)大量消耗臭氧，而為非均相化學(xué)反應(yīng)提供活動(dòng)界面的平流層冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠，只有在溫度低于-78℃時(shí)才出現(xiàn)。

因此，形成臭氧洞需要滿足兩個(gè)條件：大氣中存在有人類活動(dòng)排放的氟里昂、溴化烴等消耗臭氧層物質(zhì)（人為因素），是春季南極臭氧洞形成的一個(gè)必要條件；而春季南極平流層極地渦旋中較長(zhǎng)時(shí)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(shí)滿足這兩個(gè)條件，在平流層極地渦旋中低溫（溫度低于-78℃）條件下形成的冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，吸附了大氣污染物質(zhì)，才能在太陽(yáng)光照耀下，激發(fā)氯和溴的活性，通過(guò)非均相化學(xué)反應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)大量消耗臭氧，在南極春季形成臭氧洞。也就是，只有這兩個(gè)條件結(jié)合起來(lái)，才是形成臭氧洞的充分必要條件[15]。

由南北極地區(qū)（60°—90°S，60°—90°N）50hPa緯向平均溫度變化（圖略），可知在南極地區(qū)春季，極夜結(jié)束、陽(yáng)光再次照耀時(shí)，平流層下部仍可維持一段時(shí)間低溫，其中，臭氧洞面積最大的2006年，溫度最低，低溫時(shí)間也最長(zhǎng)；而在春季臭氧洞異常偏小（最小時(shí)只有同期平均面積的1/7）的2002年，溫度偏高，低溫持續(xù)時(shí)間也最短。也正是由于平流層溫度、極地渦旋強(qiáng)度和位置的變化，造成了2002年南極和各年南極臭氧洞強(qiáng)度和范圍的變化。北極冬季平流層50hPa的溫度通常都要比南極地區(qū)高。雖然北極冬季平流層極地渦旋中的溫度也能低于-78℃，但在極夜過(guò)后的春季，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，很難滿足形成冰晶云的低溫條件。1979年以來(lái)，北極極渦強(qiáng)、溫度特低的年份，只有2011年和1997年，在極夜過(guò)后的春季，平流層極渦還短暫（10～15天）保持低于-78℃的低溫，雖此時(shí)北極平流層中大氣臭氧的化學(xué)虧損的數(shù)值也很大，但由于當(dāng)?shù)卮杭敬髿獬粞踔悼偭客ǔ?00DU以上，本底值要比南極地區(qū)高100DU，加之低溫持續(xù)時(shí)間短，因此仍很難達(dá)到臭氧洞（220DU）的標(biāo)準(zhǔn)，迄今為止，在北極還并未出現(xiàn)過(guò)臭氧洞。

因此，在當(dāng)前大氣環(huán)境被污染的情況下，極地大氣臭氧虧損的程度更多地將隨大氣環(huán)流，特別是極地渦旋中的低溫狀況而發(fā)生變化。極夜結(jié)束后極渦中的低溫是極區(qū)臭氧洞形成的關(guān)鍵因素。

3　結(jié)語(yǔ)

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和研究，是20世紀(jì)大氣科學(xué)領(lǐng)域最重要的創(chuàng)新成果之一，保護(hù)臭氧層是迄今人類最為成功的全球性合作典范[16-17]。南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)和研究也給了人們很多啟示：

1）堅(jiān)持長(zhǎng)期基礎(chǔ)性的觀測(cè)十分重要

對(duì)南極臭氧層的觀測(cè)是從1957年國(guó)際地球物理年開(kāi)始的， 在那種特殊的環(huán)境下，氣象科研人員在默默無(wú)聞地堅(jiān)持了近30年后才獲取了南極“臭氧洞”的重大發(fā)現(xiàn)，這也是當(dāng)初決定在南極站布置觀測(cè)的科學(xué)家們所沒(méi)有預(yù)見(jiàn)到的。南極早期的Dobson臭氧總量的觀測(cè)，必須人工在室外一天數(shù)次地測(cè)，如果沒(méi)有認(rèn)真的堅(jiān)守，這樣的發(fā)現(xiàn)是很難獲取的。

2）要采用創(chuàng)新思維，認(rèn)真分析第一手資料

南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)者Chubachi和Farman，都是利用在第一線獲得的資料，通過(guò)對(duì)資料的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)分析，揭露了大氣科學(xué)的新事實(shí)，促進(jìn)了大氣科學(xué)的發(fā)展。按說(shuō)NASA是掌握衛(wèi)星探測(cè)全球臭氧資料最早和最多的機(jī)構(gòu)，但遺憾的是，他們的資料處理程序把反映南極臭氧洞的資料，當(dāng)作異常資料刪去了，與臭氧洞的發(fā)現(xiàn)失之交臂；無(wú)獨(dú)有偶的是，20世紀(jì)當(dāng)中國(guó)科學(xué)家等發(fā)現(xiàn)夏季在青藏高原上空，出現(xiàn)以動(dòng)力原因?yàn)橹鳟a(chǎn)生臭氧相對(duì)低值中心（臭氧低谷）[18-19]時(shí)，NASA再次缺位，只是與發(fā)現(xiàn)南極春季臭氧季節(jié)性減少一樣，事后證實(shí)夏季青藏高原臭氧低中心確實(shí)存在。

此外，盡管面對(duì)的是同一現(xiàn)象，但是Chubachi和Farman思考分析的角度和深度是不一樣的。Chubachi是基于氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行思考的，基本上只是就事論事；而Farman等的分析角度，則是進(jìn)一步從ClOx/NOx的角度探討了導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因。Farman和他的觀測(cè)小組之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)樗麄兪冀K跟蹤當(dāng)時(shí)臭氧科學(xué)的最前沿，對(duì)人類活動(dòng)臭氧損耗可能影響的研究有所了解。

3）正確認(rèn)識(shí)觀測(cè)資料分析和數(shù)值模擬的作用

在南極臭氧洞被發(fā)現(xiàn)的20世紀(jì)80年代，對(duì)平流層臭氧的數(shù)值模式預(yù)測(cè)，至少在未來(lái)10年內(nèi)大氣臭氧總量不會(huì)有太大的變化[13]。南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)，證明該模式不能反映在極地平流層中低溫條件下發(fā)生的大氣臭氧的光化學(xué)損耗。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及大氣科學(xué)理論和探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬也有了飛躍的發(fā)展。南極臭氧洞發(fā)現(xiàn)后，模式進(jìn)行了修改，現(xiàn)在使用平流層觀察風(fēng)和溫度，以及已知化學(xué)過(guò)程的最新穎的化學(xué)傳輸模式（CTMs），已經(jīng)可以成功地模擬觀察到的南北極大氣臭氧濃度變化[16]。但我們?nèi)匀粦?yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，由于知識(shí)水平的限制，要依靠數(shù)值模式來(lái)發(fā)現(xiàn)諸如南極臭氧洞一類的創(chuàng)新成果仍是十分困難的；數(shù)值模式的發(fā)展，要依靠與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的比較來(lái)提供線索。反之，模式也是對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的最重要而有效的工具，南極“臭氧洞”機(jī)制的最終確定也離不開(kāi)數(shù)值模式的驗(yàn)證工作。

南北極是目前全球氣象資料最貧乏的地區(qū)之一，氣象臺(tái)站的密度遠(yuǎn)小于人類居住的其他地區(qū)。在衛(wèi)星遙感技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，雖利用高分辨率的衛(wèi)星遙感資料獲得了大氣溫度、濕度及臭氧總量，并由此來(lái)填補(bǔ)南北極地區(qū)的資料不足，但必須用各種實(shí)測(cè)資料來(lái)進(jìn)行對(duì)比和校正。目前，南北極地區(qū)的實(shí)地大氣科學(xué)觀測(cè)仍是不可取代的。

致謝：承蒙周秀驥院士、鄭向東研究員閱讀了本文初稿，并提出寶貴意見(jiàn)，在此一并致謝。

［1］Solomon S. Stratospheric ozone depletion： a review of concepts and history. Reviews of Geophysics， 1999， 37（3）： 275-316.

［2］Farman J C， Gardiner B G， Shanklin J D. Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal CIOx/NOxinteraction. Nature， 1985，315： 207-210.

［3］賈朋群. 他曾讓NASA和衛(wèi)星探測(cè)陷入尷尬—記發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的英國(guó)科學(xué)家法曼. 氣象科技進(jìn)展， 2014， 4（6）： 106-110.

［4］羅丹. 臭氧空洞的發(fā)現(xiàn)與錯(cuò)過(guò). 新知客， 2008， 12： 96-100.

［5］Chubachi S. Preliminary result of ozone observations at Syowa station from February 1982 to January 1983. Mem Nati Inst Polar Res， 1984， 34： 13-19.

［6］Chubach S. A special ozone observation at Syowa Station，Antarctica from February 1982 to January 1983. In Atmospheric Ozone， Proceedings of the Quadrennial Ozone symposium，Halkidiki， Greece， September 3-7， 1984.

［7］Stolarski R S， Krueger A J. Nimbus-7 satellite measurements of the spring time Antarctic ozone decrease. Nature ， 1986， 332： 808-811.

［8］陸龍驊. 春季南極臭氧洞與環(huán)境保護(hù). 科學(xué)， 2008， 60（2）： 15-18.

［9］張永萍， 陸龍驊. 南極臭氧洞研究綜述. 南極研究， 1990， 2（2）：67-80.

［10］Chapman S. A theory of upper atmospheric ozone. Mem Roy Meteorl Soc， 1930， 3： 103.

［11］Crutzen P J. The influence of nitrogen oxide on the atmosphere content. Q J R Meteorol Soc， 1970， 96： 320-327.

［12］Molina M J， Rowland F S. Stratospheric sink for chlorofluoromethanes： chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature， 1974， 249： 820-821.

［13］Stolarski R S， Cicerone R J. Stratospheric Chlorine： a possible sink for ozone. Can J Chem， 1974， 52： 1610-1615.

［14］Prather M J， McElory M B， Wofsy S C. Reductions in ozone at high concentrations of stratospheric halogens. Nature， 1984，312（5）： 227-231.

［15］陸龍驊. 臭氧與臭氧洞. 自然雜志， 2012， 34（1）： 24-28.

［16］World Meteorological Organization （WMO）. Scientific assessment of ozone depletion， 2014： World Meteorological Organization，Global ozone research and monitoring project - Report No. 55，Geneva， Switzerland， 2014.

［17］卞林根， 林忠， 鄭向東， 等. 南極臭氧洞的影響因子和變化趨勢(shì).氣候變化研究進(jìn)展， 2011， 7（2）： 90-96.

［18］Reiter E， Gao D Y. Heating of the Tibet Plateau and movements of the South Asian high during spring. Mon Wea Rev， 1982， 110：1694-1711.

［19］周秀驥， 羅超， 李維亮， 等. 中國(guó)地區(qū)臭氧總量變化與青藏高原低值中心. 科學(xué)通報(bào)， 1995， 4（15）： 1396-1398.

The Antarctic Ozone Hole and its Discovery, Research and Inspiration

Lu Longhua
（Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081）

This study reviews the detection and the variety of the Antarctic ozone hole； the reason why the ozone hole is formed over the Antarctic is discussed, while the different patterns of the ozone variation over the Arctic and the Antarctic are outlined. It is also discussed the inspiration obtained throughout the detection and research of Antarctic ozone hole. It is pointed out that, currently, the ozone hole appears only in spring over the Antarctic and not appeared yet over the Arctic. Under the current atmospheric environment with the added pollution, the change of atmospheric ozone depletion over the Polar Regions will be more dependent on the atmospheric circulation, especially the low temperature in the polar vortex.

Antarctic ozone hole, ozone depleting substances (ODS), polar stratospheric cloud, polar vortex

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.012

2016年2月1日；

2016 年3月7日

作者：陸龍驊（1942—），Email: lulonghua@camscma.cn

資助信息：南北極環(huán)境綜合考察和評(píng)估專項(xiàng)（CHINARE-2016）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41076132）