在天成佛，在地成魔？臭氧污染控制与臭氧层保护矛盾吗？

全球大气臭氧减少、南极春季出现臭氧洞，与全球二氧化碳增加、近百年全球变暖一样，是人们广泛关注的热点问题。臭氧层是地球生命的保护伞，它的变化对地球生态系统和大气环境产生着重要影响。全球变暖和臭氧层减薄是影响当前人类生存环境的两个不同的问题。

随着对大气认识的深入，人们逐渐意识到保护臭氧层的重要性和迫切性，保护臭氧层也被看作是迄今为止人类最成功的全球性合作。1995年1月23日联合国大会决定，把签署《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的9月16日设定为国际保护臭氧层日，而今年的主题是“臭氧与生命：臭氧层保护35年（Ozone for life：35 years of ozone layer protection）”。

臭氧与臭氧层

臭氧由 3 个氧原子组成、有特殊鱼腥臭味，是大气中自然存在的一种痕量气体。它主要分布在平流层，通常最大浓度出现在离地22-27 千米的地方。臭氧是一种化学性质很不稳定且氧化性很强的物质，它在平流层中的生成和分解与太阳辐射密切相关。

臭氧在大气中含量很少，在标准情况下，如果把大气中的臭氧收集起来，全球平均累积厚度仅为3毫米左右，只相当于两个5分硬币的厚度。臭氧总量通常用多布森单位（DU）来度量，1个多布森单位指的是，标准状况下臭氧累积厚度为0.01毫米，全球大气中的臭氧累计厚度就是300 DU。可别小看这区区的3毫米，就是这平均3毫米的臭氧层，大量吸收着来自太阳的紫外辐射。其中对生物特别有害的UV-B辐射被大部分（95%）吸收，在平流层大气中的臭氧，能阻挡有害紫外线，是好臭氧。臭氧层是地球生命的保护伞，若没有它，人类赖以生存的地球就会被有致命杀伤力的太阳紫外线伤害，结果将是地球生灵的灭绝。

在接近地面的对流层中，臭氧含量并不多，可危害不容小觑。尤其是在近地面，臭氧的生成与交通尾气、工业废气等排放的氮氧化物和挥发性有机化合物 (臭氧前体物VOC)在太阳紫外线照射下产生的光化学反应有关。因此臭氧反而成为了一种对生态系统有毒有害的污染物，也是造成光化学烟雾等污染事件的罪魁祸首。

大气臭氧垂直分布 (引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)

也就是说，在高空的平流层中，臭氧是“好”的；而在近地面的对流层中，臭氧是“坏”的。在我国环保部门发布的空气质量指数（ AQI ）中，参与空气质量评价的六种主要污染物中就有地面臭氧。目前北京地区的首要大气污染物是 PM2.5 及近地面臭氧，其中，北京 77.8% 的污染日是因为 PM2.5 超标，20.1% 为臭氧超标。特别是在北京夏季，臭氧接替 PM2.5 成为首要空气污染物。

春季南极臭氧洞和北极臭氧损耗

自上世纪70年代末以来，全球臭氧总量呈下降趋势，尤其是在南极地区下降最为明显。1984和1985年，日本和英国的科学家先后报道，春季南极站监测到的大气臭氧总量值与10年前相比减少了30-40%，随后美国科学家用卫星资料也证实了这一结果。

在春季，南极地区臭氧总量急剧减少,会出现低于全球平均值30-40%的闭合低值区（通常这个值设定为220 DU），与周围地区相比, 就显得南极洲上空出现一个臭氧低值的“空洞”，这就是南极臭氧洞。

南极臭氧洞（引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole_SH.html）

南极臭氧洞并不是全年都存在的，只在南极春季出现，其强度和范围时大时小，各年变化不定，“空洞”的最低值也是波动的。

南极臭氧洞的出现与人类活动关系密切。人类活动排放的氟里昂和溴化烃等消耗臭氧层物质，是破坏大气臭氧层的元凶。这类污染物质的化学性质十分稳定，排放到大气中后滞留的时间很长；在大气垂直环流作用下会从对流层到达平流层，并通过大气环流的远距离输送和极涡的辐合效应将这些大气污染物在极地平流层中聚合起来。

人类活动排放到大气中的氟里昂和溴化烃等含氯和溴的消耗臭氧层物质（ODS），在极地平流层低温条件下形成冰晶云(PSCs)或液态硫酸气溶胶表面，通过光化学反应大量消耗臭氧，而为光化学反应提供活动界面的平流层冰晶云或液态硫酸气溶胶，只有在温度低于-78℃时才出现。极地平流层极涡能为南极臭氧洞的形成提供相对封闭的动力背景，其春季低温则为平流层冰晶云的形成创造条件。

在南极，冬季平流层极涡的温度很低，通常在极夜结束后的春季，低温尚能维持一段时间，这就是每年春季南极地区都会出现臭氧洞的原因；也正是由于平流层温度、极涡强度和位置的变化，各年南极臭氧洞强度和范围有所变化。

值得注意的是，除2019年异常偏小外，2002和1988年也显著偏小，这都与南极大气环流和平流层极涡变化所导致的春季平流层异常增温有关；南极臭氧洞偏大的年份（如2006、1998、2003、2015年），则无一不是春季平流层极涡偏强、温度偏低。

北极更加接近人类活动的地区，北极大气中污染物的浓度也比较高，污染比南半球更严重；海陆分布等差异，对南北两极的气候和大气环流也产生很大影响。无论冬或春，北极平流层极涡中温度都比南极高，特别进入春季以后，北极极涡温度升高。当极夜后太阳光再次照耀北极地区时，平流层极涡中的温度大都在-78℃以上，很难满足形成平流层冰晶云的必要条件，加之在春季，北极地区臭氧总量通常为400-500 DU的高值区，故2019年以前，北极春季没有出现过臭氧洞。

在1997年、2011年和2020年春季，春季平流层极地涡旋中温度异常偏低，大气臭氧的化学亏损严重，都出现了闭合的低值区，只是1997年和2011年最低值都在220 DU以上，未达到出现臭氧洞的标准。而2020年北极地区大气环流异常，春季平流层极涡中温度持续偏低，平流层冰晶云面积也创新高，臭氧的化学损耗更大，低值低于220DU，故而北极首次出现了臭氧洞。

2020年3月的北极臭氧(引自http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)

天气和气候是两个不同的概念，正如在全球变暖的大背景下,不能因某一年偏冷,就认为气候在变冷；同样，也不能因某一年南极臭氧洞偏小，或出现了北极臭氧洞，就认为臭氧洞已被修复或环境条件变差。

在目前大气环境被污染的情况下，南极臭氧洞的变化和北极臭氧洞是否出现等，取决于南北两极春季平流层极涡及其低温状态的变化。2020年春,首个北极臭氧洞出现与春季平流层极涡的持续低温有关，是由大气环流等自然因素引起的，并无环境指示意义。

人类只有一个地球，环境被污染后，其影响往往很难消除。中国除了采取切实措施逐步淘汰消耗臭氧层的物质外，还加强了对全球臭氧变化和南极臭氧洞的监测和研究工作。目前，我国大陆建立了北京（香河）、昆明、青海（瓦里关山）、浙江（临安）、黑龙江（龙凤山）、拉萨等6个大气臭氧监测站；在港台地区也有3个大气臭氧监测站；而在南极，中山站的气象科考人员也正在密切监视着南极臭氧的变化情况。

南极中山站大气臭氧总量观测（ 摄影/陆龙骅）

近年来，国家对包括CFC-11（一氟三氯甲烷，早期广泛使用的高温制冷剂，近几年被科学家监测到）等在内ODS的非法生产和使用采取零容忍态度（关键在于这种物质没有像预期的那样与其它氟里昂类物质一起减少），因此，蒙特里尔议定书里保护臭氧层的工作，仍任重道远。在淘汰消耗臭氧层物质时，我国和世界各国都需要为绿色地球做出更多的努力。

撰文| 陆龙骅 中国气象科学研究院研究员

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