2023-2025年发生北极臭氧洞的可能性很大

                                                                        杨学祥

    关键提示

       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（1996年为太阳黑子谷值和拉尼娜nian）、2011年（2008年为太阳黑子谷值，2010年强拉尼娜，2015年为太阳黑子峰值）和2020年（2020年为太阳黑子谷值，2020-2022年三重拉尼娜）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。

      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。

    2023-2025年发生北极臭氧洞的条件

       第一、2023-2025年太阳黑子进入极大值时期；

        第二、2022-2023年冬季北极极涡偏强，美国、加拿大、中国都发生了异常寒潮；

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        第三、2020-2022年全球发生三重拉尼娜。

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    北极臭氧空洞

      这个臭氧空洞主要因北极地区罕见长时间寒冬而形成，一度于4月移至东部欧洲、俄罗斯和蒙古国上空，使人们承受高于一般程度但并不持续的太阳紫外线照射。 

       北京时间2011年3月25日消息，据美国国家地理网站报道，最新研究显示，这个冬天的罕见低温天气产生的“美丽”云团，剥去了北极大气层里具有保护作用的大部分臭氧层，可能北极第一个臭氧洞已经形成。

      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，皮肤癌风险或将提升。同温层里的臭氧层像一条巨大的毯子，笼罩在距离地面大约12英里(20公里)的上空，阻止太阳释放的大部分高频紫外线到达地面，大大降低晒斑和皮肤癌风险。但是这项研究的负责人、德国不来梅港阿尔弗雷德极地和海洋研究所物理学家马库斯·雷克斯表示，北极高空持续结冰的天气，可能已经使臭氧浓度比标准浓度降低了近一半，而且这种趋势还会继续下去。

      雷克斯表示，北极30个臭氧监测站获得的初始数据显示，2011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”。对此，并未参与这项研究的美国科罗拉多州国家大气研究中心(NCAR)的大气化学家西蒙恩·迪尔梅斯也表示同意。迪尔梅斯说：“我们还不清楚北极的臭氧洞会增长多大，因为现在臭氧层变得越来越薄。”

      不过要确认这些猜测是否属实，还需进行电脑模拟和卫星测量，研究负责人雷克斯表示，这些结果将为“今年的臭氧浓度降低提供独立见解”。臭氧洞是臭氧层里季节性出现的空洞区域，例如著名的南极臭氧洞。20世纪80年代，科学家意识到氯氟烃(CFCs)和其他化学物质对大气臭氧层具有极大的破坏作用，这些物质被广泛应用于发胶和制冷剂等物品里。1987年签署的《蒙特利尔议定书》要求全球逐步淘汰氯氟烃，并用不会破坏臭氧层的物质取而代之。然而，氯氟烃一旦进入大气，会在那里停留几十年，南极臭氧洞仍然存在，不过未来几十年有望变小一些。

     雷克斯表示，氯氟烃进入上层大气后会分解成氯原子，它被阳光激活后，会破坏臭氧分子。低温天气可通过极地同温层里的“美丽”云团加速这一过程， 一旦同温层的气温下降到至少零下108华氏度(零下78摄氏度)时，这种“美丽”但是至今不为人知的云状结构就会出现。这些云团为不活跃的氯的副产品提供了“蓄水库”。这些副产品在云团表面彼此发生反应，释放出“有攻击性”的氯原子，破坏臭氧分子。迪尔梅斯说，一旦气温回升，这一过程就会停止，这些所谓的北极涡旋也会随之散去。

     北极涡旋的面积大约是600万平方英里(1500万平方公里)，即相当于40个德国的面积，它是冬季在北极上空盘旋的一个冷气团。研究负责人雷克斯表示，寒流的出现并非巧合。他说：“北极冬季变得更加寒冷，这是一种持续的长期趋势。”全球变暖可能会加剧这一趋势。因为温室气体把热量禁锢在大气较低处，较高处的温度就会变得更低。当然，这一“过程比我们的简单解释要复杂的多”，温室气体影响较高海拔大气的方式可能有很多种。

      雷克斯表示，紫外辐射增加会影响北极生态系统和人类健康。例如，更多阳光照射会导致特定海洋藻类的生长速度变慢，使较大生物体的食物来源匮乏，从而影响整个食物链。雷克斯表示，更令人不安的是，消耗臭氧的空气借助北极涡旋，会向南部人口密集区扩散。臭氧浓度低的空气经常被自然大气扰动向南带到北纬40°到45°的地方。臭氧浓度低的气团向南甚至延伸到欧洲城市意大利北部地区，或者美国纽约和旧金山。美国国家大气研究中心的迪尔梅斯表示，迅速移动的涡旋可能会持续到4月，此时天气已经转暖，人们在室外呆的时间会更长。

https://baike.sogou.com/v74548016.htm?fromTitle=%E5%8C%97%E6%9E%81%E8%87%AD%E6%B0%A7%E7%A9%BA%E6%B4%9E

    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

       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。

https://www.sohu.com/a/394495866_99907401

太阳黑子资料

太阳活动水平具有11年左右的周期变化特征，有太阳活动高峰年和低峰年之分。通常在太阳高峰年，太阳爆发活动较多，太阳风暴发生频次较高，强度大。相反，在太阳活动低峰年，太阳爆发活动少，太阳风暴发生频次低，强度相对较弱。

图3  太阳黑子数目年份变化（方框内不是最大峰值年，见表1）

https://www.sohu.com/a/223151487_500192

       表1 1700-2012年太阳黑子年表

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6ad68b8f0101ad06.html

表2  2017-2019年太阳黑子、无黑子日、耀斑、质子事件等

表2  2017-2019年太阳黑子、无黑子日、耀斑、质子事件等

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1283857.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1029292.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1334967.html