氟利昂减少：为什么南极臭氧洞变大，北极臭氧洞异常现身？

                                                 吉林大学：杨学祥，杨冬红

美媒：南极臭氧洞面积已超过南极洲

氟化工 2021-09-19 23:55

      据美国有线电视新闻网网站9月16日报道，欧盟哥白尼大气监测局的科学家16日说，南极上空每年都会出现臭氧洞，今年其面积已经比整个南极洲的面积还要大。全文摘编如下：

       每年在南半球的春季、即8月至10月，南极上空的臭氧都会减少并形成空洞。哥白尼大气监测局说，南极臭氧洞面积通常在9月中旬至10月中旬达到最大。

       在过去一周“显著”变大后，臭氧洞目前的面积已经超过1979年以来该季节同期75%的臭氧洞，比整个南极洲的面积还要大。

       哥白尼大气监测局负责人文森特-亨利·珀什在一份声明中说：“今年臭氧洞在春季刚开始时的发展速度符合预期。”

       声明说：“现在我们的预测显示，今年臭氧洞的面积已经比往年更大了。”

       该机构的资料显示，去年臭氧洞在9月出现时与往常没有什么不同，但后来成为“有数据记录以来，持续时间最长的臭氧洞之一”。

       距地表9到22英里（1英里约合1.6公里）的臭氧层可以保护地球免受紫外线辐射。

       南半球的臭氧洞通常是由化学物质造成的，例如，氯和溴等化学物质进入平流层，在南极洲冬季发生催化反应。

       臭氧洞与南极极地涡旋有关，后者是一个绕地球旋转的冷空气环流。到了春末，平流层的温度开始升高，臭氧耗竭速度减缓，极地涡旋减弱并最终破裂，臭氧水平通常在12月恢复正常。

       哥白尼大气监测局和美国国家航空航天局说，极地涡旋造成的空气隔离状态随之终结。极地涡旋形成于南极冬季，会为氯和溴等化学物质破坏臭氧层提供条件。

       哥白尼大气监测局利用计算机模拟和卫星观测来监测臭氧层。尽管臭氧层出现了恢复的迹象，但该机构说，要到本世纪60年代或70年代才能完全恢复。这是因为，减少破坏臭氧层的氯氟烃的使用，难以起到立竿见影的效果。

       1987年多国签署的《蒙特利尔议定书》首次提出对氯氟烃实施监管。美国环境保护局说，这类产品预计到2030年将被杜绝使用。

       上月发表在英国《自然》周刊上的一份研究报告说，如果《蒙特利尔议定书》没有禁止使用氯氟烃，那么全球温度可能再上升2.5摄氏度，并导致臭氧层崩溃。

https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1648116750&ver=3696&signature=W91y5Q-yA-KK09fBtlMp8T6eev8ZuDzH5CRL5Jp5HOfuz2FpotPtHTzG8VA6ve50HFkT65ekDkwuOEYV0yUmqqi0M6TjMn2*o4WcMqWjlgus6GDWOy7bGDFNBOYwjS9h&new=1

北极上空出现罕见臭氧层空洞 

作者：文乐乐 来源：中国科学报 发布时间：2020/3/31 10:49:18

       北极上空出现了一个罕见的臭氧层空洞。 图片来源：NASA Ozone Watch

       最近，北极地区上空出现了一个巨大的臭氧层空洞，这可能是该地区有史以来出现的最大的空洞，与每年在南极形成的臭氧层空洞面积相当。

       据《自然》报道，目前，北极中部的大部分地区（覆盖面积约为格陵兰岛的3倍）的臭氧水平创下了历史新低，这个有可能在未来几周内破裂的臭氧层空洞不会威胁人类健康，但作为一种非凡的大气现象，它将被载入史册。

     “在我看来，这是首次出现真正的北极臭氧层空洞。”德国航空航天中心大气科学家Martin Dameris说。臭氧通常在离地面约10～50公里的平流层中形成保护层，使生命免受太阳紫外线辐射。每年冬天，寒冷的天气让高空云层在南极上空聚集。化学物质——包括制冷剂中和其他工业来源的氯和溴，会在云层表面引发反应，侵蚀臭氧层。

       南极臭氧空洞每年都会形成，因为冬季该地区的温度通常会骤降，从而形成高空云层。“这些条件在北极地区很罕见，那里温度变化更大，通常不会导致臭氧层的损耗。”德国于利希研究中心大气科学家Jens-Uwe Grooβ说。

       但今年强劲的西风环绕北极，将冷空气困在“极地涡旋”中。德国阿尔弗雷德韦格纳研究所大气科学家Markus Rex说，北极上空的冷空气比1979年以来的任何一个冬天都要强。在寒冷的气温中，高空云层形成，破坏臭氧层的反应开始。

       研究人员通过从北极附近的观测站释放气象气球来测量臭氧水平。截至3月底，这些气球在18公里的高空测量到臭氧层核心区域的臭氧含量下降了90%。Rex说，气象气球通常测量到的臭氧含量约为3.5ppm，但它们记录到的仅为0.3ppm。“这比我们过去看到的任何臭氧损耗都要严重。”他说。

       北极在1997年和2011年经历了臭氧损耗，但今年的损耗或超过以往。“今年的臭氧损耗至少和2011年一样多，而且有迹象表明可能会更多。”美国西北研究协会大气科学家Gloria Manney说，在未来几天里，仍然有相当多的氯反应消耗臭氧。

       美国宇航局戈达德太空飞行中心大气科学家Paul Newman说，如果各国没有在1987年共同通过《蒙特利尔议定书》，今年的情况可能会更糟。虽然现在南极臭氧层空洞正在恢复，去年的空洞也是有记录以来最小的，但是化学物质要完全从大气中消失还需要几十年。

      “北极臭氧层空洞不会对健康造成威胁，因为高纬度地区的太阳才刚刚开始从地平线上升起。”Rex说。接下来的几周里，这个空洞有很小的可能会漂移到人口稠密的低纬度地区——在这种情况下，人们可能需要涂抹防晒霜来避免晒伤。接下来的几周至关重要。欧洲中期天气预报中心大气科学家Antje Inness表示，太阳在慢慢升高，臭氧层空洞区域的大气温度已经开始上升。随着极地涡旋在未来几周的破裂，臭氧水平可能很快开始恢复。

https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/437683.shtm

https://zhuanlan.zhihu.com/p/119420513

北极臭氧洞在2014至2016年达到极大值 

2011-4-1 15:00 观点评述|关键词:北极臭氧洞 火山灰 极涡 月亮赤纬角 太阳风

                       北极臭氧洞在2014至2016年达到极大值

                                       杨学祥，杨冬红

       近日，中国风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区，在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右，部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。专家表示，导致北极臭氧洞形成的主要原因是今年春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云，在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空。他们发出警告说，皮肤癌风险或将提升。

                       北极臭氧洞形成的原因

       是什么原因导致了这次的北极臭氧洞？专家说，原因很多，但最主要的可能是极端气候和火山的原因。专家说，1991年，菲律宾的大火山喷发导致当年北极的臭氧浓度变低；1995年～1997年北极臭氧浓度很低，也和火山有关。美国宇航局曾经对过去30年火山和臭氧浓度的关系进行过研究，专家们发现，火山灰是“臭氧杀手”。火山喷发后会散发出大量的火山灰，还有大量的气溶胶。这些火山颗粒物会在大气平流层滞留一两年时间才沉降到陆地上。当这些颗粒物停留在平流层，它们就会和空气中的臭氧发生化学反应，形成冰晶云。它们加速了臭氧的消失。

       此外，极度的冷空气涡是“二号杀手”。专家说，去年冬天、今年春天，北半球的气温极低，这股极寒冷的极涡生成了极地平流层云，它们在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。

       和人类活动有没有关系？专家说：“人类活动释放的氟利昂、气溶胶导致臭氧浓度降低是一个逐渐递减的过程，但今年北极臭氧洞的形成比较快，和人类活动关系不是很大【1】。”

       我在1999年指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为人类使用的氟利昂。这一观点发表在今年5月份出版的《科学美国人》杂志中文版上。我在论文中指出，有3个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风 的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧【2】。

       根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。臭氧洞应该周期性地在南北两极轮流出现【2-4】。

       2011年北极臭氧减少的背景是：太阳活动由2009年的谷值向2013年的峰值过渡，太阳高能粒子活动逐渐增强；2011年1-3月北半球受到低温暴雪的袭击，低温和北极涛动强烈；2010年3月爆发的冰岛火山喷发，巨量的火山灰不仅降低了气温，而且破坏了臭氧。

       北极臭氧洞在氟利昂停滞消耗臭氧的条件下产生，自然规律再次出人意料地证实了自身的存在，人类的努力如猴子捞月亮 ，劳而无功，甚至帮了个倒忙【5】。

       澳大利亚气象学家E.布赖恩特指出，形成南极“臭氧洞”的理论看似完美无缺，其实也存在不确定性。例如，因为卤化烃不是减少平流层臭氧的唯一机制。能够清除平流层臭氧的许多基都能自然出现，如OH和NO即在太阳耀斑随太阳黑子活动而增多的过程中明显增多。此外，火山缓慢喷发及爆发会放出比CFCs中高5倍的氯，氯还是燃煤、丛林大火、海藻分界及盐喷溅的副产品。大气中每年盐喷溅出的氯比CFCs中的大100多倍，这些氯大多在大气低层消失。大的火山喷发制造了大量的以氯化氢的形式存在的氯，并将其注入平流层。坦博拉火山和喀拉喀托火山分别在1815年和1883年喷发，向大气释放了21100t和3.6×10⁶t氯。1982年墨西哥厄尔冲火山的喷发使臭氧的总量减少了2%，而近来在1991年6月发生的皮纳图博火山大喷发在3~6个月就使臭氧减少了20%。火山喷发也会大量增加大气上层的硫酸盐气溶胶，它们有助于释放促使臭氧消耗的氯根，同时增加平流层低层的“非氧化”，这种反应的氧化氯含量不受限制，会通过化学反应消耗臭氧【6】。

       事实上，对氟里昂的研究导致大气氯离子层和钠离子层的发现，大气中的钠离子和氯离子是氯化钠光解的结果。氟里昂的光解、氯化钠和氯化氢的光解和电解都可以产生氯离子。我们曾指出，大气中的氯离子不仅来自氟里昂，而且来自温暖海水中NaCl的蒸发和光解、大气与海洋的放电作用（电解食盐水）、酸雨（富含CO₂和SO₂）对海水中CaCl₂的复分解反应和火山喷发。气温下降，海洋表面温度降低，将导致NaCl蒸发和CaCl₂复分解反应的减慢【7，8】。 

       过去人们认为，破坏臭氧的含氯化合物都是人为产生的。最近发现，天然生成的溴也是臭氧的破坏者【9】；由腐烂植物所产生的氯化碳氢化合物在土壤、沉积物和天然水中的分布比无机氯更丰富【10】。Casey指出【11】，这个发现“带有惊人的社会和科学意义。”可惜，人们忽视了这个发现。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-492958.html 

停止排放氟利昂后的北极臭氧洞：重新审视成因 

2011-4-1 07:03 |个人分类:学术争论|系统分类:观点评述|关键词:氟利昂 北极臭氧洞 自然现象

                 停止排放氟利昂后的北极臭氧洞：重新审视成因

                                             杨学祥

       据国家卫星气象中心监测数据显示，风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区，在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右，部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。虽然没有形成南极上空那样规模的臭氧洞，但由于北半球人口密度远高于南半球，臭氧低值区覆盖的范围内紫外线对人类健康的影响比南极臭氧洞更重要。导致北极臭氧洞形成的主要原因是今年春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云，在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。风云三号卫星搭载的紫外臭氧总量探测仪捕捉到该次北极臭氧低值区生成过程，图1～图2展示了近期获得的北极臭氧总量分布图像，可以看出从3月14日至今北极地区的臭氧总量一直保持250DU左右，而同期美国AURA卫星也监测到了同样的结果【1】。

       卫星近年来同期监测到的北半球臭氧总量分布，可以看出：一般情况下在三月份北极地区的臭氧含量很高，大部分地区范围在400DU以上，其中接近或大于500DU的区域占很大比例。而今年3月份北极圈内的大部分地区臭氧总量降到了200～300DU，部分地区达到了臭氧洞的标准。此结论与国外科学家的最新地面观测结果基本一致。德国物理学家马库斯·雷克斯表示，北极30个臭氧监测站获得的初始数据显示，今年冬季臭氧浓度下降的情况比以往更严重。他说，在春天来临之前，“第一个北极臭氧洞也许已经形成，这种发展速度非常惊人，可能将被载入史册。目前下定论还为时尚早，不过请静候我们的进一步消息”。据专家说，臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空，他们发出警告说，皮肤癌风险或将升【2】。  

       新华网消息：联合国近期出台了一份评估报告，报告指出，全球臭氧以及南 北极臭氧已经停止损耗。以下是相关报道摘编： 

     【法新社日内瓦2010年9月17日电】联合国科学家说，地球上层大气的保护性臭氧层已经停止变薄，到本世纪中期能有很大程度的恢复。而这要归功于不准使用有害化学物质的禁令。本周发表的《2010年臭氧层消耗科学评估》报告说，1987年出台淘汰氯氟烃——用于冰箱、气溶胶喷雾和一些包装用泡沫材料中的物质——的国际协定作用很成功。

       在20世纪70年代，人们第一次观察到南极上空出现季节性的臭氧层空洞。到了80年代，当科学家们发现大量使用氯氟烃导致问题恶化后向世人敲响了警钟，并促成196个国家和地区签署《蒙特利尔议定书》。

       世界气象组织的研究负责人莱恩·巴里说：“1987年签署的《蒙特利尔议定书》旨在控制臭氧层消耗。议定书已生效，它在过去的几十年里阻止臭氧层迸一步消耗。它保护了我们。”他对记者说：“全球臭氧以及南北极臭氧已经停止损耗，不过尚未递增。”【3】

       联合国2010年10月关于全球臭氧以及南北极臭氧已经停止损耗的庆功报告余音未尽，北极臭氧洞形成的的惊人警报不期而至。1987年签署的《蒙特利尔议定书》是成功了，还是失败了？臭氧洞是自然成因，还是人为制造？我们必须重新审视臭氧洞的成因。

       新浪科技讯　北京时间2008年6月16日消息，据美国科学日报报道，近期，美国哥伦比亚大学研究人员发现随着臭氧洞的关闭和恢复，可能对南半球气候产生显著影响，并逐渐改变全球气候。据悉，臭氧洞修复计划预 计将于21世纪后半期实现。目前该项研究发表在6月13日出版的《科学》杂志上。近年来，科学家观测显示臭氧层的损耗已大范围地停止，预计臭氧洞能够完全恢复。然而，在这项最新研究中，随着臭氧洞的恢复关闭，南半球气候非但未发生好转，反而会更加不容乐观。在此之前，科学家们都认为《蒙特利尔议定书》非常切实可行，这是当前最成功的国际性协作协议之一【4】。这项研究至今被人忽视。

       不同的声音早就存在。据《中国日报》报道 英国研究人员日前表示，地球历史上出现的最大臭氧洞并非人类所为，而是2.51亿年前的一次火山爆发所“创造”的。根据科学家的计算，刺穿这个臭氧洞的紫外线强烈程度最高可达穿过人类使用氟利昂和其它化学物质制造的臭氧洞的紫外线的6倍。这些曾在二叠纪－三叠纪时代破坏臭氧层的化学物质，一旦停止“入侵”大气层，遭破坏的臭氧层大约需要10年时间才能得以恢复。与它相比，人类不过是向大气中排放的破坏臭氧层的化学物质的“作恶时间”更长一些。由英国谢菲尔德大学大卫·毕尔林教授领导的研究小组在《皇家学会哲学汇刊》上刊登了他们的发现。

       无独有偶，1999年我国吉林大学地球探测科学与技术学院杨学祥教授就指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为人类使用的氟利昂。这一观点发表在今年5月份出版的《科学美国人》杂志中文版上。杨教授在论文中指出，有3个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧【5】。

       根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。臭氧洞应该周期性地在南北两极轮流出现【5-7】。

       两极臭氧洞首先是自然的产物。极夜和极昼的交替，极涡和低温条件，火山灰向极地的集中，臭氧洞在南北两极的轮换，都是自然规律运作的结果，远非人力所能控制。北半球大陆集中，人口稠密，如果《蒙特利尔议定书》的努力只是将臭氧洞从南极迁移到北极，这项成功究竟是福音还是灾难？

       2011年北极臭氧减少的背景是：太阳活动由2009年的谷值向2013年的峰值过渡，太阳高能粒子活动逐渐增强；2011年1-3月北半球受到低温暴雪的袭击，低温和北极涛动强烈；2010年3月爆发的冰岛火山喷发，巨量的火山灰不仅降低了气温，而且破坏了臭氧。

       北极臭氧洞在氟利昂停滞消耗臭氧的条件下产生，自然规律再次出人意料地证实了自身的存在，人类的努力如猴子捞月亮，劳而无功，甚至帮了个倒忙。

       我们将面临一个不断扩大的北极臭氧洞。停止排放氟利昂没有生效，还有什么办法阻止它的扩大？

       澳大利亚气象学家E.布赖恩特指出，形成南极“臭氧洞”的理论看似完美无缺，其实也存在不确定性。例如，因为卤化烃不是减少平流层臭氧的唯一机制。能够清除平流层臭氧的许多基都能自然出现，如OH和NO即在太阳耀斑随太阳黑子活动而增多的过程中明显增多。此外，火山缓慢喷发及爆发会放出比CFCs中高5倍的氯，氯还是燃煤、丛林大火、海藻分界及盐喷溅的副产品。大气中每年盐喷溅出的氯比CFCs中的大100多倍，这些氯大多在大气低层消失。大的火山喷发制造了大量的以氯化氢的形式存在的氯，并将其注入平流层。坦博拉火山和喀拉喀托火山分别在1815年和1883年喷发，向大气释放了21100t和3.6×10⁶t氯。1982年墨西哥厄尔冲火山的喷发使臭氧的总量减少了2%，而近来在1991年6月发生的皮纳图博火山大喷发在3~6个月就使臭氧减少了20%。火山喷发也会大量增加大气上层的硫酸盐气溶胶，它们有助于释放促使臭氧消耗的氯根，同时增加平流层低层的“非氧化”，这种反应的氧化氯含量不受限制，会通过化学反应消耗臭氧【8】。

       事实上，对氟里昂的研究导致大气氯离子层和钠离子层的发现，大气中的钠离子和氯离子是氯化钠光解的结果。氟里昂的光解、氯化钠和氯化氢的光解和电解都可以产生氯离子。我们曾指出，大气中的氯离子不仅来自氟里昂，而且来自温暖海水中NaCl的蒸发和光解、大气与海洋的放电作用（电解食盐水）、酸雨（富含CO₂和SO₂）对海水中CaCl₂的复分解反应和火山喷发。气温下降，海洋表面温度降低，将导致NaCl蒸发和CaCl₂复分解反应的减慢【9，10】。

       过去人们认为，破坏臭氧的含氯化合物都是人为产生的。最近发现，天然生成的溴也是臭氧的破坏者【11】；由腐烂植物所产生的氯化碳氢化合物在土壤、沉积物和天然水中的分布比无机氯更丰富【12】。Casey指出【13】，这个发现“带有惊人的社会和科学意义。”可惜，人们忽视了这个发现。

       科学的理论要经得起科学实践的检验。南极臭氧洞和温室效应首先是一种自然现象。或许，人类修补南极臭氧洞和减排温室气体的努力有点象猴子捞月亮，真正决定臭氧洞增减和温室气体增减的是自然力量而不是人类。2006年南极臭氧洞的重新扩大使人类成功保护臭氧的神话彻底破灭。时间会告诉我们最终的结论。我们等待时间的检验【14】。

       从改造自然到破坏自然，再到修复自然，这是人类对自然力量错误认识的三部曲。事实上，人类不过是自然的一部分，最终决定性的力量不是人类，而是自然规律。

       北极臭氧洞的形成彻底粉碎了氟利昂停滞消耗臭氧的神话。

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