北极臭氧空洞是一种罕见的自然现象

                                                     吉林大学：杨学祥，杨冬红

别担心，北极出现臭氧空洞只是因为太冷了

紫云气象 2020-04-09 16:03

     臭氧层位于距离地球上空10—50千米的大气层中，是地球的一个保护层，它能有效阻挡来自太阳的紫外线辐射，对地球上包括人类在内的生物进行保护。臭氧层在地球表面并不是均匀分布，世界三极地区即南极、北极和青藏高原的臭氧层会明显稀薄。如果某处臭氧层中臭氧含量减少到正常值的50%以下，科学家们就会形象地说这是个臭氧洞。

　　据《自然》杂志报道，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）上空的臭氧含量创下了历史新低，作为一种非凡的大气现象，它将被载入史册。

　　为什么南极的臭氧空洞每年都会出现，但是北极很少出现臭氧空洞？北极这次出现臭氧空洞的原因是什么，会产生什么影响？记者带着这些问题采访了南京信息工程大学环境科学与工程学院教授杨洋。

　　空洞由低温和极地涡旋引发

　　杨洋指出，南极臭氧空洞频发的一个很重要的原因，就是因为在冬季，南极上空都会出现一个深厚的极地涡旋，所谓极地涡旋，是指空气在下沉过程中遇到山脉或其他地形受阻，会停止环流而改为就地旋转，吸入冷空气形成一股很强的围绕极地旋转的涡旋。气流沿着南极高原作顺时针旋转，把南极大陆封闭起来形成一个天然的“网罩”，阻止了含有高浓度臭氧的空气从外部进入南极。受大气波动影响，南极的极地涡旋比北极更强，持续时间更长。

　　而相较北极来说，南极更易出现臭氧空洞还有另一个原因——南极通常拥有比北极更低的低温环境，当温度低于－80℃时会形成含有冰晶成分的极地平流云，氯化物会以极地平流云为载体发生分解反应，释放出氯；当早春来临时，在太阳紫外线的照射下，氯原子也会更容易分解出来，进而引发化学反应侵蚀臭氧层。不过随着南极春末到来，极地涡旋会渐渐残缺或消失，富含臭氧的中纬度空气再次补充到南极，臭氧空洞便又会匆匆消失。

　　“但是这种情况在北极很少见，当地温度没有南极那么低，不易形成极地平流层云，通常情况下不会导致大面积的臭氧损耗。”杨洋说，北极地区除2011年经历过臭氧消耗，近些年比较正常，然而今年出现了较强冷空气，加上强劲的西风环绕，将冷空气困在极地涡旋当中，才诱发了类似南极的臭氧空洞事件。

　　3月末，北极观测站释放的气象气球的测量结果显示，在距离北极地面18千米的高空，臭氧含量减少了近90%。德国阿尔弗雷德·魏格纳极地与海洋研究所的大气科学家Markus Rex表示，通常该处气象气球的正常测量结果约为3.5ppm（百万分率），而这次的测量结果仅约为0.3ppm。此次北极上空出现的臭氧空洞，可能是北极有记录以来最大的一个，它与每年在南极地区形成的臭氧空洞大小相当。

　　或将自行恢复不会威胁人类健康

　　科学研究表明，大气中的臭氧每减少1%，照射到地面的紫外线就增加2%，人类会面临皮肤癌、白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的威胁。同时，紫外线的辐射增强还会使农作物大量减产，甚至杀死某些鱼类和海洋生物。科学家首次发现南极上空出现臭氧层空洞的时候，人类曾一度以为，地球生物可能将因此而毁灭。

　　20世纪80年代，科学家发现，除了自然因素之外，人类活动产生的含氯化合物，也是南极臭氧空洞出现的重要原因。为此，1987年9月，由联合国环境规划署主持，各国签署了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，约定必须分阶段削减含氟氯烃的产量和消耗，最大限度减小人类社会活动对臭氧层的破坏。在全世界人类的共同努力下，近年来，南极臭氧空洞已经呈逐渐缩小的趋势。

　　那么，这次出现的北极臭氧空洞会不会影响地球生态？

　　“目前还不会对自然界造成太大影响。”杨洋表示，这个空洞接下来偏移到较低纬度地区的概率很小，即便有所偏移，人们也可以通过涂抹防晒霜达到防护效果。正常情况下，随着太阳慢慢升高，极地涡旋破裂，臭氧层很快就可以恢复到往常状态。《自然》杂志也指出，这个臭氧层空洞可能会在未来几周内自然恢复，不会威胁人类健康。

　　虽然此次北极臭氧空洞值得关注，但科学家更相信这是一种罕见的自然现象，并非地球生态危机。（记者 张 晔 通讯员 严常坤）

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       臭氧洞的存在和扩大与地球公转轨道有关

南极臭氧洞（Antarctic ozone hole）是指南极上空出现的臭氧层空洞，由英国南极考察科学家在1985年首次报道发现。这里所指的空洞，并不是说整个臭氧层消失了，而是指大气中的臭氧含量减小到一定程度。

每年的8月下旬至9月下旬，在20千米高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少，10月初出现最大空洞，面积达2000多万平方千米，覆盖整个南极大陆及南美的南端，11月份臭氧才重新增加，空洞消失。

1999年我们就撰文就指出，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。

      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（或臭氧稀薄区）；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（或臭氧稀薄区）。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。

     事实上，北半球也可能出现臭氧洞事件，历史上，北极在1997年、2011年和2020年都出现了较大规模的臭氧洞。

  地球南北极都出现过臭氧洞，证实了我们的理论。彗星的轨道是一个偏心率很大的椭圆，受太阳风压力作用，在近日点彗尾最长，在远日点彗尾最短。同样，地球轨道也是一个椭圆，在近日点气尾最长，在远日点气尾最短。这是南极臭氧洞比北极臭氧洞面积大，存在时间长的原因（见图1）。 

      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。例如，2020年3月北极出现臭氧洞，2020年9月南极出现臭氧洞，通过它们进入两极的太阳高能粒子，阻止和减弱了新冠病毒的爆发和发展。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1332162.html

       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？

图 1  太阳风压缩大气层背光流动形成两极地区极昼时臭氧洞（或臭氧稀薄区）和极夜时气尾

太阳风暴对臭氧洞的影响

2003年10月末，太阳黑子连续爆发产生的太阳风暴袭击了地球。这场罕见的太阳黑子爆发堪称一场天文奇观。

按照11年的太阳活动周期规律，太阳活动达到顶峰后会回落，在第23号的十一年周期中，太阳周期的高峰在2000年左右，其后应该进入削弱期。但是，此次太阳却异常爆发了，在2003年10月和11月，太阳黑子不寻常地连续产生巨大的太阳风暴袭击了地球，这就像在非龙卷风季节刮起了一场巨大的龙卷风。

根据文献记载，此前最严重的一次日冕喷发现象发生在2000年4月，不过那次太阳磁暴产生的气体和尘埃并没有直接袭向地球。而此次太阳磁暴过程中，有将近100亿吨的物质被抛向地球，“儿玉”通信卫星一度通讯中断就是因为这次太阳风暴。风暴引起的地磁暴，导致瑞典南部城市马尔默停电一小时，约两万个家庭受影响。

天文学家证实，2003年11月4日的太阳爆发是天文史上最强烈的一次，NOAA监测太阳的GOES卫星X射线探测器一度饱和，指针一直指向最高值。此次太阳爆发喷射而出的冠状物以大约每秒2300千米的速度离开太阳表面，向太空抛射了数十亿吨的超热气体，冲向地球的仅仅是其中一小部分。

https://www.cdstm.cn/popularize/tgtw/201806/t20180606_795936.html

     根据图1，2003年发生了面积第3位的最大南极臭氧洞。2003年最强太阳风暴证实了我们提出的观点：太阳风暴破坏臭氧层。

http://202.84.17.73/st/htm/20001005/147625.htm

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-257912.html

由美国宇航局的太阳动力学观测卫星于2011年2月14日拍摄，呈现了5年来最猛烈的太阳耀斑，太阳中部的黑子是此次耀斑的源头。

　　新浪科技讯 北京时间6月9日消息，美国宇航局的太阳动力学观测卫星观测到5年来最猛烈的太阳辐射大爆发，抵达地球后可引发中度地磁暴，影响卫星通讯和地球上的电力供应。根据太阳动力学观测卫星的观测，除了一次小型辐射风暴外，此次太阳爆发还伴随一次耀斑以及一次日冕物质喷发。

　　美国国家气象局空间天气预报中心项目协调人比尔·穆塔夫表示：“这一次的大爆发非常具有戏剧性。”他指出中型太阳耀斑在6日美国东部时间凌晨1点41分(格林威治标准时间的凌晨5点41分)达到峰值。“我们最初观测到的耀斑规模并不大，在随后出现的喷发过程中，我们观测到高能粒子辐射以及大规模日冕物质喷发。你能观察到从太阳表面喷出的所有物质，景象非常壮观。”

　　穆塔夫指出，空间天气分析人员正密切关注此次太阳爆发，以确定是否导致太阳与地球之间发生磁场碰撞。日地距离在大约1.5亿公里左右。他在接受法国媒体采访时说：“我们的部分工作是进行监视同时确定此次太阳爆发的物质是否飞向地球，因为喷射的物质基本上都是气体并且带有磁场。在一两天时间内，我们将看到太阳喷射的一些物质对地球产生影响，形成地磁暴。我们并不认为这将是一次非常剧烈的地磁暴，但强度还是可以达到中等水平。”

　　空间天气预报中心表示，此次太阳爆发将在8日引发小型到中型地磁暴，大约从格林威治标准时间的18点开始。任何地磁暴活动都将在24小时内结束。国家气象局说：“太阳辐射风暴中存在大量高能质子，这种类型的活动自2006年12月以来还是第一次观测到。”

宇航局表示，在8日晚上和9日，极地地区还可能观察到北极光和南极光。

https://tech.sina.com.cn/d/2011-06-09/07475626628.shtml

     事实上，2011年太阳风暴导致了2011年出现了较大的北极臭氧洞和南极臭氧洞。南极臭氧洞面积在1993-2020年28年中排位第8。

图2  1993-2020年南极臭氧洞面积排序前15名记录（网上资料）

2006年12月初连续爆发的太阳耀斑对我国的短波无线电信号传播造成严重影响，短波通信、广播等电子信息系统发生大面积中断或受到较长时间的严重干扰。12月13日北京时间10时40分前后，太阳又爆发一次大耀斑，广州、海南、重庆等电波观测站的短波探测信号从10时20分左右起发生全波段中断，直至11时15分以后才逐步出现信号，13时30分以后基本恢复正常。

2006年太阳耀斑和南极寒流的共同影响，导致南极臭氧洞面积最大，排在第1位。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1331151.html

1998年4月底至5月，太阳风暴不断。在此期间，多颗飞行器发生异常或者失效，最显著的是银河Ⅳ号通讯卫星的失效，它造成美国80％的寻呼业务的损失，无数的通信中断，并使金融交易陷入混乱。

https://www.chinanews.com.cn/cul/2011/03-09/2893113.shtml

1998年的太阳风暴与1998年南极臭氧洞面积排序第2位对应。

2008年12月美国宇航局(NASA)宣布发现磁气圈破了个大洞，比地球宽四倍且还在扩大中。外层空间射向地球的各种有害粒子将更直接的冲击到自然万物和人类社会，过去已经发生过几次。

https://dili.chazidian.com/s13527/

      这可能是2008年南极臭氧洞面积排名第5位的原因。

表1显示，南极臭氧洞面积最大的前8名都受到较强太阳风暴作用，其中2003年最强烈，2006年、2015年、1998年、2008年和2011年次之。

表1 臭氧洞、太阳活动、异常寒流、月亮赤纬角极值、最热年、厄尔尼诺和拉尼娜对比 

http://finance.ifeng.com/a/20150825/13931633_0.shtml

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-991473.html

参考文献

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