南极缘何出现臭氧空洞

　　地球对于其养育的生命可谓是关怀备至了。太阳光中过量的紫外线对生物有伤害作用，大气层中就有一层很薄的物质——臭氧层，对它进行阻挡，而到达地面的紫外线不仅不会对生物不利，对人类来说，这部分紫外线还能促进钙的吸收，有“天然钙片”的美誉。

　　不过，随着人类活动，特别是氟氯碳化物和海龙等人造化学物质被大量使用，对臭氧层产生了破坏作用，在南北两极上空臭氧数量下降幅度最大。在南极上空，约有2000多万平方公里的区域为臭氧稀薄区，其中14公里至19公里上空的臭氧减少量达50%以上，科学家们形象地将之称为“臭氧空洞”。

　　为什么臭氧空洞只出现在南极，或者说为什么南极的臭氧量下降得特别多呢？首先，南极臭氧洞是一种自然现象，温暖的海水蒸发、电解等生成的氯离子和天然产生的溴都是破坏臭氧层的重要物质。其次是人类活动导致臭氧洞进一步扩大，例如，氯气、氯化物、溴化物的制造使用，人类活动导致的全球变暖使海洋蒸发量加大、热带风暴加剧、海平面上升和地震火山活动增多等。而在南极地区，特殊的自然环境为臭氧空洞的形成推波助澜。原来，在冬季半年里，南极上空有一个深厚的涡旋，气流沿着南极高原作顺时针旋转，把南极大陆封闭起来，从赤道来的富含臭氧的气流进不了南极上空。而在涡旋中上升的空气，在上升过程中气温急剧下降，再加上南极高原本来就海拔高、气温低，因而形成极低的低温环境，臭氧层所在的 20公里高度上的气温常常在零下80℃以下（比北极要低得多）。南极大气涡旋中的空气在上升过程中还会生成大量的冰晶云，云中的冰晶不断吸收扩散到南极的氯氟烃气体，只进不出的堆积效应导致有害成分的浓度越来越高。一旦南极春季（9月）来临，极夜结束，在阳光的照射下冰晶云升温，氯氟烃气体迅速释放，氯氟烃分子在紫外线照射下开始释放氯原子，臭氧层受到破坏的过程立即开始，臭氧层因大量损耗臭氧而出现可怕的臭氧洞。一旦春末南极涡旋残缺或破坏消失，大量富含臭氧的从赤道南下的新鲜空气进入南极上空，臭氧洞便又匆匆消失了。

　　毋庸置疑的是，臭氧空洞的出现严重威胁着南极本已十分脆弱的生物链，而除了人类活动和气象因素外，最新的研究发现，太阳风暴同样会助长臭氧空洞的形成。由于地球两极地磁场的特殊形态，太阳风暴所裹挟的带电粒子能够在这里冲入地球大气层，破坏上层的臭氧层。

　　美国国家航空航天局的研究发现，一旦这些太阳风暴形成的高能带电粒子冲击到上层大气层，就会分解氮气分子，形成氮氧化物。这些氮氧化物可以在几周甚至几个月内长期存在，并破坏高度为15公里至50公里的上层同温层中9%的臭氧。太阳质子还会分解大气层中的水分子，形成氢化物。这些氢化物可以破坏高度为50公里至90公里的中间层中70%的臭氧。但这些氢化物只在发生太阳质子事件时存在。然而，中间层和上层同温层中的臭氧含量较少， 80%以上保护地球的臭氧存在于高度为15公里至35公里的中低层同温层中。美国科学家搜集到的卫星数据表明， 2003年11月发生的一次强太阳风暴对极区上空臭氧层造成了长达8个月的破坏，2004年的臭氧水平已经降低到正常年份春季水平的40%。

　　随着人类对臭氧层研究的深入，对臭氧层消失的担忧已经逐渐减弱。人们已经认识到，臭氧层的变化是一个与多种因素相关的自然过程，自然过程可以对臭氧层的破坏进行修复，但无节制地使用氯氟烃制剂必然导致臭氧层的损失。因此，包括削减碳排放等在内的一系列综合环境保护措施是自然界可持续发展的重要举措，需要持之以恒地执行下去。 （来源于2010年9月17日《中国气象报》 作者：王素琴)

https://www.cma.gov.cn/kppd/kppdqxyr/kppdjsqx/201211/t20121128_192965.html

我国科学家指出太阳风才是臭氧空洞元凶

http://www.sina.com.cn 1999年6月29日 11:20 华声报

　　中国科学家杨学祥教授最近指出，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。

　　长春科技大学杨学祥教授的这一观点，发表在今年五月份出版的《科学美国人 》杂志中文版上，题目为

《太阳风、地球磁层与臭氧空洞》。

　　在这篇论文里，杨教授指出，有三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。

　　1985年，英国科学家首次报道南极上空出现巨大臭氧空洞，后来人们发现 这个臭氧空洞早已产生，并一

直在稳定、逐步地扩大。对此现象众说纷纭，大多数科学家认 为是30年代以来人类大量使用氟利昂造成的，

释放出的氯离子破坏臭氧分子，从而使臭氧 浓度急剧减少。

　　杨学祥认为："人类使用氟利昂是造成南极臭氧空洞的主要原因的观点说不通 。"他说，事实上北半球的

大陆面积和人口占全球的大部分，人为产生的氟利昂也集中在北 半球。如果是氟利昂的原因，则臭氧空洞应

该出现在北极而非南极才能解释得通。

　　他说，太阳风才是地球臭氧空洞的"元凶"。太阳风是一种高能粒子流。由于 受地磁层的保护，太阳高能

粒子中每年仅有一小部分穿越地球磁层，并沿着磁力线集中到南 北两极。由于高能粒子中以氢元素为主，到

达两极后，最容易和臭氧合成水，所以它首先破 坏的是两极的臭氧。

　　根据杨教授的研究，地球南半球是个逐渐开裂的半球（北半球则是压缩半球） ，因地壳的开裂喷发出大

量包括卤素在内的地下气体，更直接地消耗了南半球的臭氧含量。 地球产生的卤素比人类制造的氟利昂多得

多，中国的天山火山六千年前的一次喷发，释放出 相当于人类一百七十多年制造的氟利昂的总量。

　　杨教授说，根据计算，进入南极的太阳粒子比进入北极的多百分之六点六。还 有资料表明，近百年来，

地磁偶极矩减少了百分之五，造成对地球的保护能力下降，使南极 上空臭氧空洞逐年扩大。

　　他还认为，臭氧空洞是个动态的、在两极之间进行漂移的自然过程。由于地球 围绕太阳旋转的轨道是一

个椭圆，近日点和远日点相互变化周期为2万1000年。所以臭 氧空洞有一半时间即1万零500年在南半球，另

一半时间在北半球。

　　杨教授说："南极臭氧空洞正在向北方移动，近万年后臭氧空洞将出现在北极 。这一重大环境变迁应该

引起全世界的注意。"

　　杨学祥强调说："虽然太阳风是地球臭氧产生的主要原因，但并不是说人类就 可以肆无忌惮地制造和使

用氟利昂。人类减少使用氟利昂，会对臭氧层保护起到积极影响。"

　　杨一直从数学视角进行地球科学理论研究，迄今已出版一本专著、发表五十多 篇论文。目前他正在从事

获得"国家自然科学基金"资助的有关地球演化和气候变化的项目 研究。

https://tech.sina.com.cn/news/ology/1999-6-29/1283.shtml

1999我国科学家杨学祥提出新观点：臭氧空洞“元凶”是太阳风 

太阳风是一种高能粒子流，穿越地球磁层后，沿磁力线集中到南北两极，并与臭氧结合成水，进而破坏极地臭氧层。

本报长春6月29日电（新华社记者周长庆、本报记者高景泰）长春科技大学教授杨学祥最近撰文指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为的氟利昂。

杨学祥一直从数学模式的视角进行地球科学理论研究，迄今已出版一本专著，发表论文50多篇。目前他正在从事获得“国家自然科学基金”资助的有关地球演化和气候变化的研究。

上述观点是在他与同事合著的论文《太阳风、地球磁层与臭氧空洞》中提出的，并发表在今年第5期《科学美国人》杂志中文版上。最近，这一新观点经新华社向世界播发后，在国际上产生强烈反响，一些华文报纸纷纷采用，世界四大通讯社之一的法新社，几乎全文转发了新华社英文稿。

1985年，英国科学家首次报道南极上空出现巨大臭氧空洞，后来人们发现这个臭氧空洞早已产生，并一直在稳定、逐步地扩大。大多数科学家认为，这是30年代以来人类大量使用氟利昂造成的，其释放出的氯离子破坏臭氧分子，从而使臭氧浓度急剧减少。

杨学祥认为，人类使用氟利昂是南极臭氧空洞形成的主要原因。这一观点依据不足。他说，事实上，北半球的大陆面积和人口占全球的大部分，人为产生的氟利昂也集中在北半球。如果是氟利昂的原因，则臭氧空洞应该出现在北极而非南极才能解释得通。

他在论文中指出，有三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。其中，太阳风是地球臭氧空洞的“元凶”。

太阳风是一种形象地说法，其实它不是流动的空气，而是一种高能粒子流。当彗星向太阳靠近时，太阳风及光压、太阳电磁辐射将彗星的彗发物质吹走，形成一条背光的彗尾。同彗星一样，包括地球在内的行星在趋近太阳时，也会产生大气的背光运动并丢失一部分质量。行星大气的演化为此提供了可靠证据，如离太阳最近的水星大气极为稀薄，离太阳较近的类地行星原始大气早已消失殆尽。而离太阳较远的类木行星都有浓厚的大气，成份以原始大气氢和氦为主。

杨教授说，由于受地磁层的保护，太阳高能粒子中每年仅有一小部分穿越地球磁层，并沿着磁力线集中到南北两极。由于高能粒子中以氢元素为主，到达两极后容易和臭氧结合成水，所以它首先破坏的是两极的臭氧。根据计算，进入南极的太阳粒子比进入北极的多6.6%。

还有资料表明，近百年来，地磁偶极矩减少了5%，造成对地球的保护能力下降，使南极上空臭氧空洞逐年扩大。太阳高能粒子进入大气层每年消耗掉地球臭氧含量的10％，但由于地球上生物的作用，使一部分二氧化碳变成氧，使消耗的部分得到弥补。

地球公转轨道近日点在冬至前后时，南极圈更多地处于太阳光照射下。在太阳风的作用下，南极的大气产生背光北移运动，因此大气层变薄，大气质量（包含臭氧）大量散失到太空中。

根据杨学祥的研究，地球南半球是个逐渐开裂的半球（北半球则是压缩半球），因地壳的开裂喷发出大量包括卤素在内的地下气体，更直接地消耗了南半球的臭氧含量。地球产生的卤素比人类制造的氟利昂多得多，我国天山火山6千年前的一次喷发释放出相当于人类170多年制造的氟利昂的总量。他强调说：“这并不是说，人类就可以肆无忌惮地制造和使用氟利昂。事实上，人类减少使用氟利昂，更好地保护环境，会对臭氧层保护起到积极影响。”

为什么北极上空没有形成臭氧空洞？杨教授解释说，在夏至时，太阳光直射北回归线，从而产生北半球上空大气的背光南移，此时地球远离太阳而进入远日点，所以北极大气背光南移规模变得更小，不足以产生臭氧空洞。

他指出，“臭氧空洞是个动态的、在两极之间进行漂移的自然过程。”由于地球围绕太阳旋转的轨道是一个椭圆，其近日点和远日点相互变化周期为2.1万年。所以臭氧空洞有一半时间即1.05万年在南半球，另一半时间在北半球。根据天文资料计算，地球公转轨道近日点到公元11500年将与夏至重合。杨教授说：“南极臭氧空洞正在向北方移动，1万年后臭氧空洞将出现在北极。这一重大环境变迁应该引起全世界的注意。”

《科学时报》1999-6-30 第二版

http://www.envir.gov.cn/info/np/file.asp?file=996-30-80.txt

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

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

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