南极臭氧洞

1985年英国南极考察科学家发现的现象

南极臭氧洞，英国南极考察科学家于1985年报道发现南极上空的臭氧空洞。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2 000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。其实，所谓臭氧空洞，并不是说整个臭氧层消失了，只不过是大气中的臭氧含量减小到一定程度而已。

形成

研究表明，人类的活动，特别是大量使用作为制冷剂和雾化剂的氟利昂，是产生南极臭氧洞的重要原因。人类在生产和生活中泄漏到大气中的氟利昂在高层大气中经紫外线分解成氯原子，氯原子使臭氧产生了分解。在南极上空20千米的高度，因温度非常低，易生成冰晶云，这种云加剧了氯的催化作用，使大量的臭氧被分解。南极封闭的大气环流系统使得被分解的臭氧得不到补充。所以，大气中的化学反应和大气运动相辅相成，紧密相关，在南极上空形成臭氧空洞。

地球大气中的臭氧层出现空洞会有害于地球上的生灵，这一问题已引起人们的普遍担忧和各国政府的普遍重视。现在，世界各国都在致力于减少乃至制止氟利昂的生产，许多国家的政府和国际环保组织也要求有关生产空调和冰箱的厂家减少和停止使用氟利昂作为制冷剂，转而推广使用绿色环保无氟产品，同时号召人们购买无氟产品。其实，我们每个人在日常生活中都可以为保护地球家园作出贡献。

形成机制

南极臭氧洞的发现，大大激发了各国科学家研究南极“臭氧洞”的兴趣，对南极臭氧洞的形成机理也提出了各种解释，其中主要有大气动力学、太阳活动和大气化学过程三种解释。

大气动力学

南极的冬季是极夜，收不到太阳辐射，南半球的行星波活动较弱，使南极平流层的大气与周围地区的动量、热量和质量交换很少，处于相对稳定的状态，而大气本身却以长波辐射的形式不断往外放出热量，在南极平流层形成环极涡旋（极地涡旋）。环极涡旋的范围和形状同南极臭氧洞相似，并且环极涡旋的平衡状态在每年的春季被破坏，这与南极臭氧洞的出现和闭合好似有某种联系。大量观测事实也表明：近年来南极平流层春季温度与臭氧总量的迅速下降存在着线性关系。南极平流层温度每下降1℃，臭氧总量就会下降3%。因此有人认为，南极臭氧洞是由大气动力学过程造成的自然现象。

太阳活动

有人发现，太阳黑子数与臭氧总量的变化存在显著相关，并且臭氧总量的3年滑动平均值与太阳活动一样也有11年的周期。南极地区是臭氧对太阳活动响应最敏感的地区，除了太阳紫外线辐射大大增强对臭氧的影响外，逐渐增多的大量的带电粒子也会对南极臭氧洞的形成发生影响。也有人认为随着太阳活动峰年时，宇宙射线明显增强，使大气中的NO2和其他奇电子氮化合物的含量增加，会通过光化学过程破坏南极的臭氧层。

大气化学过程

早在20世纪30年代，Chapman就提出光化学反应是大气中臭氧生成和破坏的主要因素。20世纪70年代，美国政治界、企业界和科学界，还围绕着氟里昂（CFCs）等人造化学物质能否导致地球大气臭氧层减薄，展开过一场臭氧战。1970年，Crutzen发表了大气中的NOx参与了损耗臭氧的催化反应的研究结果，随后来自超音速飞机尾气排放的氮氧化物对平流层臭氧损耗也被关注；1974年，Molina等发表了平流层是CFCs汇的文章，指出CFCs最终对平流层臭氧的危害远高于NOx，同年也有人发表了相似的研究成果。这些研究工作对平流层臭氧的损耗化学理论奠定了重要的基础。持这种观点的人认为，正是人类活动排放到大气中的大量的含氯化合物（主要是氟里昂类物质）参与的光化学反应破坏了南极大气臭氧层。但到20世纪80年代初，对这些工作的重视程度不够，特别是1984年有人发表了用一维模式模拟30°N的大气臭氧层受CFCs损耗的模拟结果，错误地认为大气臭氧层受CFCs的损耗情况不是很严重，不足以引起臭氧层的长期变化。

上述三种原因尽管都能在一定范围内和一定程度上解释南极臭氧洞的形成，但它们各有片面性。大气动力学及太阳活动原因都不能解释为什么臭氧洞只在20世纪70年代末才出现；也不能解释已经发现的全球性的大气臭氧总量下降，以及南极平流层冬、春季低温与臭氧总量减少的因果关系。单纯的大气化学原因能解释以上两个问题，却无法说明臭氧洞只出现在南极的春季，也无法解释近年来南极臭氧洞的异常变化。

为进一步确认南极臭氧洞的成因，各国科学家通过气球、飞机、火箭、卫星及地面站等多种观测方法获取了大量资料，并用计算机进行了分析和模拟研究。其中，美国科学家1986年后进行了多次综合科学试验，通过南北极现场观察和实验室工作相结合的方法，为解决这一难题提供了第一手证据。美国南极McMurdo站的地基微波测量和ER-2飞机探测，都在南极平流层下部20km处实地观测到了CIO的高值区。ER-2飞机观察，不但测得了在南极圈有极端高的CIO，也观测到了与极地平流层云（polarstratosphericclouds，PSCs）有关的真实的脱氮和脱水。这两个独立的方法证明，人类释放的碳氟化合物是导致臭氧耗损的首要因素。这种增强的臭氧损耗，发生在寒冷温度时极地平流层的云的表面，与异种氯化学有关。

危害

简单说来，臭氧洞的危害是，透过臭氧洞的强烈紫外线对人和生物有杀伤作用。在医院和实验室里，人们常用紫外线光消毒，杀死细菌和病毒，就是这个道理。在阳光下曝晒，人的皮肤会变黑，也是这个道理。不过，在通常情况下，来自阳光的紫外线是比较弱的，不足以对人起伤害作用。在自然界里，太阳光的紫外线不容易直接到达地面，这是因为在地球的大气圈中有一成一层臭氧层，有效地阻止了太阳光的紫外线到达地球。一旦臭氧量减少，大气圈中的臭氧层变稀薄，甚至出现空洞，障碍消除了，紫外线就会畅通无阻地穿过大气层，射到地球上。但是，射到地球上的紫外线，不是所有的都对生物有杀伤作用。紫外线按波长可分为三个部分，波长较短的那两部分，对生物的杀伤力最强，严重时会导致人类的皮肤癌。强烈的紫外线对地面生物的危害，还表现在破坏生物细胞内的遗传物质，如染色体、脱氧核糖核酸和核糖核酸等，严重时会导致生物的遗传病和产生突变体。

研究发现，南极洲上空的臭氧洞对海洋生物也有很大影响。强烈的紫外线可以穿透海洋10~30米，使海洋浮游植物的初级生产力降低了3/4，抑制了浮游动物的生长，从而对南大洋的生态系产生不利影响。

抗紫外线生物

研究发现，生物受到紫外线损伤后，有一定的修复能力。美国科学家发现，温带地区的生物具有修复损伤的机制，似乎是在细胞水平和分子水平上进行修复。修复的主要方式有三种：一是光复活。生物在较长波段的紫外线中，能通过酶把损伤转化为脱氧核糖核酸分子。二是切除修复。这是在黑暗中发生的一个过程，酶能将损伤的部分切除，只留下某种伤痕，这一点象人和动物动过手术一样。三是复制修复。脱氧核糖核酸在进行复制时，把受损的细胞沟通了，使它修复起来。南极洲的生物也利用温带生物类似的方式，修复被损伤的细胞。他们对海洋细菌、硅藻、磷虾、大型海藻、帽贝、海参和海里等进行了研究，评价了这些生物对紫外线损伤的修复能力。生长在南极的陆地植物地衣，也有抗紫外线辐射的能力。生活在南大洋海冰中的大类海洋浮游植物，人们称之为“冰藻”，它对强烈的紫外线有“屏蔽”作用，使紫外线不能透过冰藻层。这样、既保护了冰下的生物，又使自己免于伤害。

变化历程

2023年8月3日，中国气象局组织编写的《极地气候变化年报（2022年）》正式对外发布。报告显示，2022年南极臭氧洞面积比2021年略小，总体上延续了近年来的缩减趋势，其面积在1979年以来排到第12位。

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