■ 新闻缘起

    发表在英国《自然》周刊上的一份研究报告说：“北极地区上方的臭氧层首次出现大面积空洞，足以被称为‘北极臭氧洞’。”也有报道称，北极上方出现了一个面积达到加利福尼亚州5倍的臭氧洞，这个规模空前的空洞有时会向东欧、俄罗斯和蒙古地区移动，因而当地人受到的紫外线照射强度会增加，但不会持久。

    长期以来，南极地区臭氧层缩小的规模一直都比北极地区大，因为前者的气温要比后者低得多。但在近期，类似于“北极上空疑现首个臭氧洞，或已延伸到纽约上空，面积大如美国大陆”的消息屡见不鲜。众所周知，臭氧层能够过滤掉太阳光中对植物造成损害并导致皮肤癌和白内障的紫外线，那么，臭氧层的破坏对人类势必会造成影响，所以这一消息引起了人们的广泛关注。

    真相究竟如何？北极的臭氧洞到底是怎么回事？本期科技之谜与中科院大气物理研究所高登义研究员、周立波副研究员共同为您答疑释惑。

    臭氧低值区？还是臭氧洞？

    据国家卫星气象中心监测数据显示，风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区，在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右，部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准。

    难道北极臭氧洞已经形成？对此，高登义研究员表示：“从目前观测资料来讲，只有南极上空出现臭氧洞，北极上空以及青藏高原上空它们现在只存在臭氧低值区，在某一地区相对其他地区来讲臭氧总量含量要相对较低，但从气候平均值来看，并没有低于220多普森单位，所以，严格意义来讲，除了南极以外其他地区还没有发现臭氧洞的存在。不过在某一天中出现臭氧含量低于220多普森单位的臭氧含量的情况是存在的，但是我们说的臭氧洞是一个气候比例概念，是用一个相对的时间段里出现的平均值衡量的，两者之间存在一定区别。”

    自然？还是人为？

    之前，人们认为臭氧层的破坏仅仅是弗里昂气体的作用，后来科学家们提出来一个问题，人类主要活动在北半球而并非南半球，如果南极臭氧洞形成的原因只是人为因素造成的话，那为什么在北极上空并没有臭氧洞呢？

    “臭氧洞的形成，受到自然与人为两种因素影响。”高登义研究员说：“比如南极臭氧洞，我们知道南极地区是以南极洲大陆为主的地理单元，而南极洲大陆是世界上最大的一个冰盖，这个地区不仅储存了世界上冰雪的70%左右，而且厚度也非常深，因此它对于大气来讲，它是一个很大的冷源。只有南极洲特殊冰盖的这个条件，在南极过渡季节的时候，平流层会出现一个低于零下80℃以上的温度，从而产生冰晶云，这个冰晶云类似于催化剂，会加速氮氧化物的破坏。氮氧化物从一定意义上讲是臭氧的一个保护层，我们曾经观察过，氮氧化物含量高的时候，臭氧总量就会相应增高。由于形成了这个低于零下80℃的冰晶云以后，从而提供了弗里昂气体中的氯离子和臭氧发生化学反应的条件，把三氧分解为一氧和二氧。它会破坏氮氧化物，因此，使得臭氧含量减少，因为我们人类排放的氟里昂里面的氯离子，在这个时候提供了它和臭氧发生化学反应，分解为氧分子和氧原子。”

    气温升降惹的祸？

    有报道称，北极出现的臭氧洞主要与2011年北极地区平流层内极低的温度和北极极涡长时间的维持有关，但科学家表示相关研究还在进行当中。

    那么气温与臭氧究竟存在怎样的联系？周立波副研究员解释说：“气温是臭氧洞形成和演变的重要要素，但不是唯一因素。气温的升降直接决定了极地平流层冰晶云的形成：没有极低的气温，就不可能形成极地平流层冰晶云，后者是导致臭氧洞形成和维持的重要因子。相对于南极地区，北极地区海陆差异更大，由此动力学影响也更为明显。所以影响北极地区的臭氧亏损机制比南极地区的臭氧亏损要复杂得多，例如人类活动产生温室气体带来的气候效应、极地涡旋维持的强度和时间长短以及极区内大气化学产生的臭氧消减等等。”

    南北极臭氧低值有啥不一样？

    北极的上空以及青藏高原上空确实出现了臭氧低值区，但是形成的原因与南极是完全不一样的。

    高登义研究员说：“在北极，北大西洋暖流把中低纬度的暖湿海水源源不断地往高纬度输送，北大西洋暖流输送有一个移动的路径，在它移动过的地方正好是在我们北极圈里面，在这个地方海表温度非常高，而北大西洋暖流不经过的地方可能存在冷流，因此使得在北极地区东西方向海表温度的差异非常大，这个差异根据科学家们的计算结果能够使得北极地区上空的臭氧的含量减少。这种差异会带来一种垂直的环流，空气往上运动的时候就把低海拔地区的空气带到了高海拔地区上空，偷梁换柱的把臭氧含量浓度低的空气替换了北极地区上空臭氧浓度高的空气，这个原因与南极地区完全不一样。”

    臭氧值能否恢复正常？

    现在北极地区臭氧低值区仍然存在。在此之前，科研机构在3月份和4月初的大约27天中观察到极低的总臭氧浓度(低于250多普森单位)。臭氧层的缩小开始于今年1月，在2月底和3月进一步加剧。因此，极地漩涡地区的臭氧浓度在3月初至4月底期间要比平时低得多。4月底后，极地漩涡就会消失。

    对此，高登义研究员表示：“北极地区臭氧低值区仍然存在，不过一般臭氧低值区这种状况，与全年相比就是出现在某个季节，基本上是在3月份4月份。包括南极上空的臭氧洞也并不是一直存在。

    北极臭氧稀薄也就是出现在春天，1月和2月，北极都是极夜，几乎看不到太阳；3月—4月，臭氧浓度会变得相对稀薄，之后，就会逐渐恢复正常。南极和北极上空的臭氧浓度变化，国际上一直密切监控，而且监控数据全球分享。  （文·实习生 徐冰）

    ■ 专家连线

    臭氧洞存在缩小的可能性

    高登义：中科院大气物理研究所研究员

    我们现在观测资料非常短，比较可用的卫星观测资料是从1979年开始的，也就是说1979年之前极地臭氧状态究竟是什么样， 我们无从考证。至于人为的帮助还要看形成原因是什么。

    我们现在有很多限制氟利昂气体排放的公约，现在空调都改用无氟，这个是我们可以弥补的，但是北极臭氧低值和青藏高原地区，与人类没有太大的关系，它们主要受自然界中气候的变化影响。

    周立波：中科院大气物理研究所副研究员

    臭氧层在大气中是极其脆弱的一层气体，如果在0℃温度下，沿着垂直方向将大气中的臭氧全部压缩到一个大气压，那么臭氧层的总厚度只有3毫米左右。近几年，南极臭氧洞有缩小的现象。臭氧值没有以前那么低了。臭氧洞存在消失的可能，但前提是世界各国遵守温室气体排放的有关协议，例如蒙特利尔公约和京都议定书等。

    臭氧洞的形成会对人类造成很大的影响，例如皮肤癌等疾病的增加。科学家认为，南极臭氧空洞并未如预期的那样很快缩小，只有到了2018年前后臭氧空洞的尺寸才会有显著的变化。

    延伸阅读 

    南极臭氧洞四问

    南极臭氧洞是怎么回事？

   大气中的臭氧是阳光中的紫外线作用于氧分子，氧分子分解成氧原子，氧原子和氧分子结合形成臭氧。臭氧大部分存在于平流层10—50千米高度，其最大密度在20千米高度左右。臭氧的总含量还不到地球大气分子数的100万分之一，如果把大气中的臭氧集中在海平面的高度，它只有大约3毫米的厚度。太阳光中含有一种叫紫外线，公认为皮癌和白内障的元凶。由于臭氧能吸收太阳光中的紫外线，因此保护地球上生物免受灭顶之灾。

   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。

   南极臭氧洞是怎么形成的？

   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。

   南极臭氧洞有什么危害？

   臭氧洞到底有什么危害呢？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层一层臭氧层，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。

   南极洲有没有抗紫外线的生物？

   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。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、海参和海星等进行了研究，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。