全球变化- 杨学祥工作室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/杨学祥 吉林大学地球探测科学与技术学院退休教授,从事全球变化研究。

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2020年两极臭氧洞形成原因:极地涡旋是元凶

已有 5882 次阅读 2022-4-16 15:39 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

                                           2020年两极臭氧洞形成原因:极地涡旋是元凶

                                                         吉林大学:杨学祥,杨冬红


       极地涡旋是元凶

       2020年春季北极上空的臭氧洞规模达到100多万平方公里,成为史上最大的北极臭氧洞。这次臭氧洞的产生主要是源自平流层极区异常强大的极涡,极涡隔绝了南北热量和空气交换,在极区低温环境里形成臭氧洞,随着春末极涡的分裂,臭氧洞也随之消失。

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       2020南极臭氧洞变大:极地涡旋是元凶,恢复之路任重而道远。

       当平流层温度变低时,空洞内的臭氧浓度就会减少,特别是在低于–78°C的温度下形成平流层云时,这些高空云在太阳辐射的情况下有助于增加氟氯烃等化学物质的化学反应,从而导致臭氧消耗,进一步减少臭氧层。最近的极地涡旋使地球大气层保持极冷,从而形成了极地平流层云。在过去的几周中,阳光再次回到南极,该地区的臭氧层持续消耗。

       尽管2020年的臭氧空洞并不是有记录以来的最高值,小于2000年的2990万平方公里,但其意义仍然重大,洞口也是近年来最深的洞之一。研究人员表示,2020年的这一事件是由强烈的极地涡旋驱动的,不会成为永久状态,而2019年创纪录的异常小而短暂的臭氧空洞则是由于特殊的高温气象条件造成的。

https://www.163.com/dy/article/FSHKO7IV0512GVI0.html

      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(922-24日)到冬至(1221-23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(320-22日)到夏至(621-22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13日或4日,远日点在72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。

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太阳风压缩大气层形成臭氧洞和气尾.png 


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

  太阳风压缩大气层背光流动形成臭氧洞,由于科里奥利的作用,背光流动的大气将在极昼区产生极地涡旋,形成阻止含臭氧的大气进入极区的特殊表象。极涡的低压中心进一步加剧臭氧洞的扩大。


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2020年春季超强北极臭氧洞 

2020-05-11 20:30


导读:与南极每年春季都会出现臭氧洞不同,北极臭氧洞出现频次非常少,基本上10年才会出现一次。今年春季北极上空的臭氧洞规模达到100多万平方公里,成为史上最大的北极臭氧洞。这次臭氧洞的产生和新冠疫情无关,主要是源自平流层极区异常强大的极涡,极涡隔绝了南北热量和空气交换,在极区低温环境里形成臭氧洞,随着春末极涡的分裂,臭氧洞也随之消失。

图片来自于weather.com

最强北极臭氧洞

与南极每年春季都会出现臭氧洞不同,北极臭氧洞出现频次非常少,基本上10年才会出现一次,北极上一次大规模臭氧洞出现在2011年,当时即引起广泛关注,从国际顶级学术刊物 Nature 和 Science 到街边小报,都报道了当时的北极臭氧洞事件。

2020年3月,当再一次更大的北极臭氧洞出现后, Nature 杂志也立即进行了报道,然后……就淹没在新冠疫情的新闻洪流里了。

2020年3月27日,Nature报道了3月份出现的北极臭氧洞事件。图片来自于nature.com

一般而言,极区的臭氧总量大概为300多DU(多布森单位),当这一数值低于220 DU时,即可以看做臭氧洞形成。今年冬季1月25-27日时,极区的臭氧最小值达到187DU,但是持续时间比较短,区域非常小,并没有引起多大的关注。进入3月后,随着平流层维持一个强大的极涡,逐渐形成了规模可观的臭氧洞,其中3月12日臭氧洞中心最小数值达到205DU,这成为这次北极臭氧洞的最低数值,创下了新的历史记录。最鼎盛期,臭氧低值区覆盖面积超过3个格陵兰岛,臭氧洞面积达到100万平方公里。

2020年春季,北极上空出现严重的臭氧洞。资料来自于ECWMF

4月23日,随着平流层极涡的分裂,大量中纬度富含臭氧的空气涌入极区,北极臭氧洞随之消失。这个臭氧洞持续了约1个半月,被看作是历史上最大的北极臭氧洞。

北极臭氧洞相关信息,上图:极区臭氧总量数值,中图:平流层极区温度,下图:平流层极涡面积。图片来自于https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov

臭氧洞不是在南极上空吗?

没错,人类首次发现臭氧洞确实是在南极。1984年,英国科学家法尔曼等人在南极哈雷湾观测站发现:从1975到1984年,每到春天南极上空平流层部分区域的臭氧浓度就会减少约50%,最大能减少90%。从地面上观测,高空的臭氧层极其稀薄,与周围相比像是形成一个“洞”,直径达上千公里,“臭氧洞”由此而得名。他们的文章于1985年5月发表于大名鼎鼎的 Nature 杂志上,引起全球轰动。事实上,日本科学家中鉢茂在1984年9月希腊海滨城市哈尔基季基(Halkidiki)召开的国际会议上,也报道过日本昭和观测站的结果,只是他的结果以poster出现在会议不起眼的角落,并未引起国际关注。

南极臭氧洞最强数值出现在1994年,臭氧总量数值降低到92DU,而最大面积数值出现在2006年,其面积达到2700万平方公里,2019年仅有900万平方公里,是过去30年的最低值。图片来自于https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov

1985年,美国的 “雨云-7号”气象卫星监测和证实了臭氧洞的存在。从那时候开始,每年的9-10月份,都可以观测到南极臭氧洞的出现。在1994年,南极臭氧洞中心数值达到创纪录的92DU,不足正常值的三分之一。2006年南极臭氧洞面积达到了创纪录的2700万平方公里。

臭氧洞的发现,成为当时最重要的国际环境危机,在此基础上,全球合作签订了《保护臭氧层维也纳公约》(1985年3月)和《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》(简称《蒙特利尔议定书》,1987年9月),共同应对臭氧损耗问题,采取全球行动,逐步停止生产和使用损耗臭氧的氟利昂和哈龙类物质。

人类活动排放大量含有卤族元素的化合物,经过大气环流进入平流层,破坏臭氧层,形成臭氧洞,成为全球面临的重大环境问题。 视频制作:魏科

中国政府于1989年9月加入了《保护臭氧层维也纳公约》,并于1991年6月加入《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。1993年1月,国务院批准实施《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案》作为履行《蒙特利尔议定书》的行动纲领。《国家方案》规定,我国将在2010年1月1日实现ODS生产和消费的同步淘汰。2007年7月1日,我国宣布已经全面停止了氟利昂和哈龙两类物质的生产和消费,提前两年半实现协议书规定的目标。

尽管臭氧洞主要出现在南半球,但是北半球也可以出现臭氧洞事件,出现的频率大约为10年一次,在1997年和2011年都出现了较大规模的臭氧洞。

1997年3月,2011年3月和2020年3月,北极地区都出现了臭氧洞。图片来自于https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/

出现臭氧洞的有利条件

低温、太阳辐射和臭氧损耗物质的存在,是臭氧洞出现的必要条件。这样的条件只出现在平流层极区。在我们头顶10km到50km的平流层,冬季盛行西风,其中环绕北极的西风风速可达每小时350km以上(对比超强台风17级风速约为每小时210km),环绕南极的西风风速甚至可以超过每小时400km,因为两极各自的冬季没有太阳照射,因此环绕极区的强大西风被称作极夜急流。

北半球绕极极涡(10hPa,约30km),强风速可达350千米/小时以上;南半球绕极极涡(10hPa,约30km),强风速可达400千米/小时以上。

强大的绕极西风隔绝了极区和中纬度地区,这使得中纬度地区富含臭氧的空气无法进入极区,也使得中纬度热量无法进入极区,形成异常寒冷的平流层极区。正常情况下,南半球冬春季(6、7、8、9、10月)的南极平流层最低温度可以达到零下130度,而北极隆冬(12、1、2)的最低温度也可以达到零下80多度。

南北半球相比,南半球平流层极区温度更低,最低可以达到零下130℃,北极最低温度可以达到零下80℃,当温度低于零下78℃时,即逐渐形成极地平流层云(PSC)。图片来自于联合国环境署《Scientific Assessment of Ozone Depletion:2018》

在极低温条件下,可以形成极地平流层云(PSC),这与低层云完全不同,并不是由水和冰晶组成,而是由水合硝酸组成。PSC的存在,不仅把氯贮存物质(主要是HCl)吸收到颗粒的界面上,并且产生化学反应,释放活性氯,当春季阳光重返极区时候,即形成臭氧损耗和臭氧洞现象。

极地平流层云,斯堪的纳维亚人管它们叫“珠母云”,美丽的外表下暗藏“杀机”。图片来自于NASA

南北半球相比,南半球中高纬度以海洋为主,地面均一度比较好,不容易产生大尺度大气波动(行星波),因此形成的极涡不容易受扰动破坏,极夜急流里的低温极区非常稳定;北半球中高纬度地形复杂海陆对比明显,这里容易形成各种尺度扰动,因此北半球极涡容易受波动影响而扭曲、变形或者偏心,极低温环境不易维持。

南半球因为极涡稳定,因此每年都在9-10月形成严重的臭氧洞,而北半球极涡变化大,不易形成稳定低温区和PSC,不易形成臭氧洞。北半球即使形成臭氧洞,其规模和维持性都不如南半球,自2011年出现明显的臭氧洞后,直到2020年春季才形成典型的北极臭氧洞。即使2020年春季的北极臭氧洞被认为是“史上最强大”的北极臭氧洞,其面积也仅仅约100万平方公里,这与南半球动辄2000万平方公里的臭氧洞比起来绝对是小巫见大巫,即使2019年的南极臭氧洞被认为是“史上最小”南极臭氧洞,其面积也在900万平方公里以上。

因此,即使大气中存在的臭氧损耗物质浓度不变,每一年臭氧洞的大小和强度也有所不同,这主要是因为平流层极涡强度存在变化,在有些年份,极涡会更强一些,这些年份臭氧洞会更严重一些;在有些年份,极涡会弱一些,这些年份的臭氧洞会更小一些。

平流层极涡强度和范围的变化,受多种因子的影响,除了大气内部的复杂波动变化之外,热带海洋的热力学状况(El Nino或者La Nina)也是一个重要的影响因子。一般而言,当热带东太平洋发生El Nino事件时,北极极涡偏弱;反之,当热带东太平洋发生La Nina事件时,北极极涡偏强。

另外一个影响极涡强度的因子是赤道平流层准两年振荡现象(QBO),当热带平流层处于西风时,北极极涡偏强;反之,当热带平流层处于东风时,北极极涡偏弱,容易发生爆发性增温。其他诸如北极海冰面积、欧亚大陆雪盖和陆面过程、北大西洋海洋热力状况等都可以影响到极涡的变化。当影响因子增多的时候,其变化特征就复杂起来,因此针对具体某一年的极涡状况,需要具体分析。

臭氧洞什么时候恢复?

尽管极涡强度变化会影响某一年臭氧洞的强度和大小,未来臭氧洞的趋势变化主要受大气中臭氧损耗物质的量决定。

《蒙特利尔议定书》于1987年签署,并于1989年1月1日生效,条约规定发达国家在2000年全面停止生产和使用8种氟利昂和哈龙类物质,发展中国家的控制时间表比发达国家相应延迟10年。《蒙特利尔议定书》被前联合国秘书长科菲·安南先生称为“可能的唯一最成功的国际协议”,这个议定书得到了联合国所有的国家和地区的签署和贯彻执行,这在人类历史上目前是空前的。

然而,“病来如山倒,病去如抽丝”,人类近百年排放进入大气中含有氯原子和溴原子的氟利昂和哈龙类物质在大气中大量堆积,其生命期长达50-100年,这些物质的减少是一个缓慢的过程。

南极春季臭氧约在2060年之后,可望恢复到上世纪80年代水平,而2100年之后才可恢复到上世纪60年代初水平。图片来自于联合国环境署《Scientific Assessment of Ozone Depletion:2018》

2018年,由联合国环境署发布的关于臭氧损耗的科学评估报告《 Scientific Assessment of Ozone Depletion:2018 》揭示,过去30年的努力,使得人类避免了一个严重的臭氧损耗的危机,然而南极臭氧洞恢复到上世纪80年代,大概得到2060年之后,而要想恢复到上世纪60年代初的水平,则需要到2100年左右,这注定是一场长期的保护环境的战争,需要全球坚持不懈努力


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2020南极臭氧洞变大:极地涡旋是元凶,恢复之路任重而道远

2020-11-28 16:44:01 来源: 环球科学大观  

自1982年开始追踪以来,2019年南极臭氧洞已达到其最小的年度峰值。但自2020年8月中旬以来,南极臭氧空洞增长迅速,并且覆盖了南极大陆的大部分地区,其规模远高于平均水平。欧洲航天局的Copernicus Sentinel-5P卫星进行的测量表明,臭氧洞在今年10月2日达到了其最大值,约为2500万平方公里,是俄罗斯和澳大利亚面积的总和,与2018年的2290万平方公里和2015年的2560万平方公里的臭氧洞大致相同。


臭氧是由三个氧原子组成的分子,在大气中扩散成薄层,臭氧层位于地球表面上方15到30公里之间的平流层区域,与大气中的其他部分相比,臭氧层的气体浓度较高,有效地吸收了来自太阳的紫外线,保护生命免受有害光线的伤害。70年代和80年代使用氯氟烃导致这种稀有气体的消耗,并在南极洲上方形成了一个洞。南极上空的臭氧空洞不是恒定的,每年自然随季节波动。从八月到十月,臭氧空洞会增加并达到最大,之后开始收缩,直到12月底恢复正常水平。


当平流层温度变低时,空洞内的臭氧浓度就会减少,特别是在低于–78°C的温度下形成平流层云时,这些高空云在太阳辐射的情况下有助于增加氟氯烃等化学物质的化学反应,从而导致臭氧消耗,进一步减少臭氧层。最近的极地涡旋使地球大气层保持极冷,从而形成了极地平流层云。在过去的几周中,阳光再次回到南极,该地区的臭氧层持续消耗。

尽管2020年的臭氧空洞并不是有记录以来的最高值,小于2000年的2990万平方公里,但其意义仍然重大,洞口也是近年来最深的洞之一。研究人员表示,2020年的这一事件是由强烈的极地涡旋驱动的,不会成为永久状态,而2019年创纪录的异常小而短暂的臭氧空洞则是由于特殊的高温气象条件造成的。

在过去的二十年中,臭氧空洞每10年恢复了1-3%,总体趋势是积极的。但是年复一年的变异性表明人类可能对环境造成的长期破坏,证实了我们需要继续执行《蒙特利尔议定书》,禁止排放消耗臭氧层的化学品。《蒙特利尔议定书》是人类在环境方面取得的一个里程碑,它逐步淘汰了有害的氟氯化碳(CFC)的制造,这些氟氯化碳(CFC)是以前用于冰箱、包装和喷雾器中的化学品,在阳光下会破坏臭氧分子。


虽然我们知道人类的积极行动有助于修复南极臭氧空洞,但每年持续的波动表明,愈合过程将是漫长的。认识到2019年臭氧空洞缩小现象是由于平流层温度升高所引起的,这一点很重要,说明大气中的臭氧并非突然处于恢复的快速轨道上。世界气象组织2018年的一项评估发现,南极洲上空的臭氧浓度将在2060年左右恢复到1980年代以前的相对正常水平。为了实现这一目标,必须克服困难,坚持执行《蒙特利尔议定书》。

信息源:The SUN

责编:朱张航宇

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