南極臭氧洞

英國南極考察科學家於1985年報道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2 000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。其實，所謂臭氧空洞，並不是説整個臭氧層消失了，只不過是大氣中的臭氧含量減小到一定程度而已。 ^[1] 

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泄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，因温度非常低，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。

地球大氣中的臭氧層出現空洞會有害於地球上的生靈，這一問題已引起人們的普遍擔憂和各國政府的普遍重視。現在，世界各國都在致力於減少乃至制止氟利昂的生產，許多國家的政府和國際環保組織也要求有關生產空調和冰箱的廠家減少和停止使用氟利昂作為製冷劑，轉而推廣使用綠色環保無氟產品，同時號召人們購買無氟產品。其實，我們每個人在日常生活中都可以為保護地球家園作出貢獻。 ^[2] 

南極臭氧洞的發現，大大激發了各國科學家研究南極“臭氧洞”的興趣，對南極臭氧洞的形成機理也提出了各種解釋，其中主要有大氣動力學、太陽活動和大氣化學過程三種解釋。

南極的冬季是極夜，收不到太陽輻射，南半球的行星波活動較弱，使南極平流層的大氣與周圍地區的動量、熱量和質量交換很少，處於相對穩定的狀態，而大氣本身卻以長波輻射的形式不斷往外放出熱量，在南極平流層形成環極渦旋（極地渦旋）。環極渦旋的範圍和形狀同南極臭氧洞相似，並且環極渦旋的平衡狀態在每年的春季被破壞，這與南極臭氧洞的出現和閉合好似有某種聯繫。大量觀測事實也表明：近年來南極平流層春季温度與臭氧總量的迅速下降存在着線性關係。南極平流層温度每下降1℃，臭氧總量就會下降3%。因此有人認為，南極臭氧洞是由大氣動力學過程造成的自然現象。

有人發現，太陽黑子數與臭氧總量的變化存在顯著相關，並且臭氧總量的3年滑動平均值與太陽活動一樣也有11年的週期。南極地區是臭氧對太陽活動響應最敏感的地區，除了太陽紫外線輻射大大增強對臭氧的影響外，逐漸增多的大量的帶電粒子也會對南極臭氧洞的形成發生影響。也有人認為隨着太陽活動峯年時，宇宙射線明顯增強，使大氣中的NO₂和其他奇電子氮化合物的含量增加，會通過光化學過程破壞南極的臭氧層。

早在20世紀30年代，Chapman就提出光化學反應是大氣中臭氧生成和破壞的主要因素。20世紀70年代，美國政治界、企業界和科學界，還圍繞着氟里昂（CFCs）等人造化學物質能否導致地球大氣臭氧層減薄，展開過一場臭氧戰。1970年，Crutzen發表了大氣中的NO_x參與了損耗臭氧的催化反應的研究結果，隨後來自超音速飛機尾氣排放的氮氧化物對平流層臭氧損耗也被關注；1974年，Molina等發表了平流層是CFCs匯的文章，指出CFCs最終對平流層臭氧的危害遠高於NO_x，同年也有人發表了相似的研究成果。這些研究工作對平流層臭氧的損耗化學理論奠定了重要的基礎。持這種觀點的人認為，正是人類活動排放到大氣中的大量的含氯化合物（主要是氟里昂類物質）參與的光化學反應破壞了南極大氣臭氧層。但到20世紀80年代初，對這些工作的重視程度不夠，特別是1984年有人發表了用一維模式模擬30°N的大氣臭氧層受CFCs損耗的模擬結果，錯誤地認為大氣臭氧層受CFCs的損耗情況不是很嚴重，不足以引起臭氧層的長期變化。

上述三種原因儘管都能在一定範圍內和一定程度上解釋南極臭氧洞的形成，但它們各有片面性。大氣動力學及太陽活動原因都不能解釋為什麼臭氧洞只在20世紀70年代末才出現；也不能解釋已經發現的全球性的大氣臭氧總量下降，以及南極平流層冬、春季低温與臭氧總量減少的因果關係。單純的大氣化學原因能解釋以上兩個問題，卻無法説明臭氧洞只出現在南極的春季，也無法解釋近年來南極臭氧洞的異常變化。

為進一步確認南極臭氧洞的成因，各國科學家通過氣球、飛機、火箭、衞星及地面站等多種觀測方法獲取了大量資料，並用計算機進行了分析和模擬研究。其中，美國科學家1986年後進行了多次綜合科學試驗，通過南北極現場觀察和實驗室工作相結合的方法，為解決這一難題提供了第一手證據。美國南極McMurdo站的地基微波測量和ER-2飛機探測，都在南極平流層下部20km處實地觀測到了CIO的高值區。ER-2飛機觀察，不但測得了在南極圈有極端高的CIO，也觀測到了與極地平流層雲（polarstratosphericclouds，PSCs）有關的真實的脱氮和脱水。這兩個獨立的方法證明，人類釋放的碳氟化合物是導致臭氧耗損的首要因素。這種增強的臭氧損耗，發生在寒冷温度時極地平流層的雲的表面，與異種氯化學有關。

簡單説來，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。在醫院和實驗室裏，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。在自然界裏，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成一層臭氧層，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。但是，射到地球上的紫外線，不是所有的都對生物有殺傷作用。紫外線按波長可分為三個部分，波長較短的那兩部分，對生物的殺傷力最強，嚴重時會導致人類的皮膚癌。強烈的紫外線對地面生物的危害，還表現在破壞生物細胞內的遺傳物質，如染色體、脱氧核糖核酸和核糖核酸等，嚴重時會導致生物的遺傳病和產生突變體。

研究發現，南極洲上空的臭氧洞對海洋生物也有很大影響。強烈的紫外線可以穿透海洋10~30米，使海洋浮游植物的初級生產力降低了3/4，抑制了浮游動物的生長，從而對南大洋的生態系產生不利影響。 ^[3] 

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，温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。修復的主要方式有三種：一是光復活。生物在較長波段的紫外線中，能通過酶把損傷轉化為脱氧核糖核酸分子。二是切除修復。這是在黑暗中發生的一個過程，酶能將損傷的部分切除，只留下某種傷痕，這一點象人和動物動過手術一樣。三是複製修復。脱氧核糖核酸在進行復制時，把受損的細胞溝通了，使它修復起來。南極洲的生物也利用温帶生物類似的方式，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、海蔘和海里等進行了研究，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游植物，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。 ^[4] 

2023年8月3日，中國氣象局組織編寫的《極地氣候變化年報（2022年）》正式對外發布。報告顯示，2022年南極臭氧洞面積比2021年略小，總體上延續了近年來的縮減趨勢，其面積在1979年以來排到第12位。 ^[5]