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作者：魏科

1985年5月16日，著名雜誌《自然》發表了由英國南極科考隊約瑟夫·法曼（Joseph Farman）和同事布萊恩·加德納（Brian Gardiner）和喬(qiao) 恩·尚克林（Jon Shanklin）的文章，他們(men) 指出南極哈雷灣觀察站自70年代中期起即出現嚴(yan) 重臭氧損耗，到80年代初，10月平均的臭氧損耗超過40%，至此，南極臭氧洞這一嚴(yan) 重的環境危機走入全球視野。

隨後美國航空航天局檢查了衛星觀測數據，吃驚地發現在南極上空已經形成了一個(ge) 巨大的臭氧層空洞，當然這不是一個(ge) 真正的“洞”，而是說其中的臭氧濃度要大幅度低於(yu) 周圍，與(yu) 周圍相比，像是形成了一個(ge) “洞”，他們(men) 發現，這個(ge) “洞”的麵積已經達到上千平方千米，比美國國土麵積還要大。

20世紀80年代後，南極臭氧洞幾乎每年都季節性地發生，且麵積越來越大。1992年和1993年10月臭氧損耗非常嚴(yan) 重，平流層部分區域臭氧濃度下降了99%。1998年12月世界氣象組織(WMO)的觀測發現，南極上空的臭氧層空洞連續近100天麵積超過1000萬(wan) 平方千米，而同年9月份的最大麵積更創紀錄地達到了2790萬(wan) 平方千米（1998年9月19日）。南極臭氧洞最大麵積出現在2000年9月9日，南極臭氧洞麵積達到2990萬(wan) 平方千米，這麽(me) 大規模臭氧洞已經能危及到南美洲大陸最南端的火地島和阿根廷聖克魯斯的南部地區。

不僅(jin) 僅(jin) 是在南極上空，北半球也可能出現臭氧洞事件，隻是出現的頻率比較低，大約每10年一次。曆史上，北極在1997年和2011年都出現了較大規模的臭氧洞。2020年3月，北極地區再一次形成了更大的臭氧洞，此次臭氧低值區域麵積達到3個(ge) 格陵蘭(lan) 島大小，約600萬(wan) 平方公裏，其中符合臭氧洞標準（臭氧總量數值低於(yu) 220DU）的麵積超過了100萬(wan) 平方公裏。這說明了臭氧總濃度的減少是全球性的。

紫外線壁障：臭氧層

臭氧層是生命攸關(guan) 的保護傘(san) 。盡管臭氧在接近地麵是重要的汙染物，但是高層的臭氧卻是地球上生命的保護傘(san) 。臭氧層能吸收絕大多數對人類有害的太陽紫外線，主要是一部分UV-A（波長320～400nm）,大部分UV-B（波長280~320nm）和全部的UV-C（波長200～280nm），UVB被稱作紅斑效應紫外線，是引起皮膚癌和白內(nei) 障的主要因子。UVA也被稱作黑斑效應紫外線，是皮膚美白的死對頭，是引起皮膚曬黑、老化和起皺紋的主要輻射，根據目前研究，也是皮膚癌的原因之一。UVC又稱為(wei) 短波滅菌紫外線，可以破壞生命的DNA結構，是最危險的是紫外線，紫外線殺菌燈就是用UVC來對空氣和食品進行滅菌。因此，臭氧的在環境中的作用被概括為(wei) “在天為(wei) 佛，在地為(wei) 魔”。

臭氧層的出現僅(jin) 有大約6億(yi) 年的曆史。在此之前，太陽光中的紫外線毫無遮攔地照射到地球表麵，在短波紫外線UVC照射下，地球表麵看不到生命的跡象，因此6億(yi) 年前生命都匍匐在深海之中，演變非常慢。當臭氧層在約6億(yi) 年前形成之後，海洋表麵和陸地都變得安全起來，開拓了生命進化的領域。大概5.4億(yi) 年前，地球上發生了波瀾壯闊的“寒武紀大爆發”，地球上突然湧現了各種各樣的生物，生命從(cong) 深海到淺海，然後從(cong) 淺海到陸地，演變速度加快，才有了後來的恐龍和今天的我們(men) 人類。

臭氧層的穩定關(guan) 係著地球生命的健康，臭氧層空洞的出現會(hui) 使得到達地表的UV-B輻射強度明顯增加，給人類健康和生態環境帶來嚴(yan) 重的危害。據分析，若平流層臭氧減少1%，全球白內(nei) 障的發病率將增加0.6%~0.8%，全球每年由於(yu) 白內(nei) 障而失明的人將增加10000~15000人；若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發病率將增加26%，人體(ti) 免疫係統機能將會(hui) 減退。另外，UV-B會(hui) 破壞植物的葉綠素，影響植物的光合作用，使農(nong) 作物減產(chan) 。因此，臭氧洞的發現引起全球轟動，全球圍繞臭氧層保護的工作開始進入快車道。

臭氧層的破壞與(yu) 保護

科學界從(cong) 上世紀70年代就明確指出，人類活動排放的氟氯碳化合物（CFCs）會(hui) 對臭氧造成嚴(yan) 重的損耗，這些損耗臭氧的物質（ODS物質），在近地麵附近非常穩定，廣泛應用於(yu) 大型中央空調、家用空調、車載空調、冰箱等製冷設備，應用於(yu) 聚氨酯（PU）硬質泡沫的發泡劑、抽提劑、溶劑、幹洗劑、次序劑、氣溶殺蟲藥發射劑等。但是當其釋放進入大氣之後，在平流層經過紫外線照射，釋放出自由的Cl粒子，可以作為(wei) 催化劑破壞臭氧層，據估計，一個(ge) Cl離子可以破壞10萬(wan) 個(ge) 臭氧分子。發現臭氧損耗機理的保羅·克魯岑（Paul Crutzen）、舍伍德·羅蘭(lan) （F. Sherwood Rowland）和馬裏奧·莫利納（Mario J. Molina）也因此獲得了1995年的諾貝爾化學獎。

為(wei) 了保護臭氧層，國際社會(hui) 1985年通過了《保護臭氧層維也納公約》、1987年通過了《關(guan) 於(yu) 消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書(shu) 》，在全球範圍內(nei) 限製生產(chan) 、銷售和使用8中對臭氧層有嚴(yan) 重破壞作用的物質，其中包括五項氟氯碳化物和三項哈龍類物質。

《蒙特利爾議定書(shu) 》在通過之後，為(wei) 了加快進程、納入更多發展中國家和擴大禁止化合物種類等，先後通過了《倫(lun) 敦修正案》（1990年6月）、《哥本哈根修正案》（1992年11月）、《維也納調整案》（1995年12月）、《蒙特利爾修正案》（1997年）、《北京修正案》（1999年11月）等，這使得《蒙特利爾議定書(shu) 》形成“共同但有區別的責任”，對發展中國家和發達國家分情況對待，發達國家率先行動，並為(wei) 發展中國家提供資金和技術支持，增強發展中國家能力，從(cong) 而最終實現共同行動。

這個(ge) 創舉(ju) 使得的《蒙特利爾議定書(shu) 》成為(wei) 第一個(ge) 規定發達國家和發展中國家承擔不同義(yi) 務的國家環境公約，也使得《蒙特利爾議定書(shu) 》成為(wei) 有史以來全球所有國家取得完全一致的協定。前任聯合國秘書(shu) 長科菲·安南先生盛讚《蒙

特利爾議定書(shu) 》為(wei) “迄今為(wei) 止唯一最成功的國際協議”。

在協議簽署後的10餘(yu) 年間，共有超過85%的消耗臭氧層物質被淘汰。從(cong) 2000年開始，隨著人類對臭氧層破壞的減輕，大氣層的自我修複功能開始發揮作用，臭氧層空洞不斷增大的狀況開始停止惡化，進入觸底反彈階段。2016年6月30日，美國麻省理工學院地球、大氣和行星科學係著名大氣化學家與(yu) 氣候學家蘇珊·所羅門（Susan Solomon）教授等人在著名刊物《Science》上發表文章，向全世界報告了一個(ge) 好消息：南極臭氧洞正在恢複。這被看做南極臭氧洞“治愈”之路上的第一縷曙光。

1989年起，每隔4年發布一次全球臭氧層損耗的科學評估報告。根據最新的評估，自《蒙特利爾議定書(shu) 》執行以來，全球各國家和地區為(wei) 減少臭氧層損耗，積極采用替代物，逐步淘汰消耗臭氧層物質（ODS）。ODS總氯濃度從(cong) 1993年峰值3660ppt（幹空氣中每萬(wan) 億(yi) 個(ge) 氣體(ti) 分子所含的該種氣體(ti) 分子數）已經下降了10%以上，總溴濃度也從(cong) 1998年的22.0ppt下降了11%以上。

臭氧層恢複的漫漫長路

在全球共同努力下，南極臭氧恢複較為(wei) 明顯，極地平流層臭氧空洞進一步恢複。自2000年以來，極地平流層臭氧含量每10年增加1%至3%。根據數值模擬的預測，全球平均臭氧總量將在2050年前恢複到1980年水平，南極臭氧空洞則需到2060年前後才能恢複到1980年水平，到2100年前後南極的臭氧層將會(hui) 恢複到1960年水平，那時候臭氧洞才能完全消失。

之所以臭氧層恢複如此慢，主要是因為(wei) 破壞大氣臭氧層元凶的ODS物質在大氣中的平均壽命極其長，例如CFC-11的壽命為(wei) 50年，而CFC-12的壽命達到100年，CFC-115則長達1020年，所以在今後相當長時間內(nei) 它們(men) 還會(hui) 繼續破壞大氣臭氧層，其濃度仍然遠高於(yu) 大氣臭氧層出現明顯損耗之前的水平。另外，人們(men) 應當清醒地認識到，大氣臭氧層的恢複涉及大氣中很多複雜的物理、化學和動力學過程，是一個(ge) 複雜的科學問題，這就使得大氣臭氧層的恢複過程變得十分複雜，並且帶有很大的不確定性，因此，需要持之以恒加強對臭氧損耗物質的管控。

然而“病來如山倒，病去如抽絲(si) ”，臭氧層的恢複之路並不是一帆風順，會(hui) 出現各種反複，例如2015年是個(ge) 例外，當年臭氧洞麵積偏大，10月2日達到最大的2820萬(wan) 平方千米。臭氧洞的大小還受到其他不同因素的影響，例如火山噴發、厄爾尼諾現象、全球變暖和平流層大氣環流的變化等。每年的9月和10月，是南極臭氧洞麵積最大損耗最嚴(yan) 重的月份。2022年10月8日，南極臭氧洞麵積達到2400萬(wan) 平方公裏，10月1日中心最低數值達到97 DU，隻有正常值1/3不到，看的出來，南極臭氧損耗依然很嚴(yan) 重。

盡管臭氧層完全恢複尚需時日，但畢竟我們(men) 已經走在了恢複之路上。研究人員利用地球係統模式的模擬分析指出，如果全球沒有從(cong) 上世紀80年代對ODS進行控製，那全球臭氧損耗將非常嚴(yan) 重，北極地區的臭氧濃度也將下降至50-100 DU，遠低於(yu) 1960年的濃度水平（500 DU），出現嚴(yan) 重的北極臭氧洞，地球表麵的紫外線輻射強度將翻倍，皮膚癌的幾率會(hui) 飆升。

南極臭氧洞是人類曆史上一個(ge) 重大環境問題，通過保護臭氧層的工作，我們(men) 已經意識到：人和自然環境是一個(ge) 有機整體(ti) 。就好像魚兒(er) 離不開水，水裏也不能沒有活潑的魚兒(er) 。我們(men) 的社會(hui) 發展、科技進步不應該以破壞環境作為(wei) 代價(jia) ，而是要堅持“和自然共同成長”的觀念，保護好綠水青山，打贏一次又一次的“地球保衛戰”，守衛並嗬護我們(men) 賴以生存的寶貴地球家園。

本文為(wei) 科普中國·星空計劃扶持作品

作者：魏科

審核：皇甫靜亮 中科院大氣物理所台風專(zhuan) 家

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳(chuan) 媒有限公司

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