北极也有臭氧洞，10年才有一次
以下文章来源于中科院之声 ，作者魏科
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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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