为什么世界上臭氧空洞最严重的是南北极和青藏高原地区?

为什么世界上臭氧空洞最严重的是南北极和青藏高原地区?
为什么世界上臭氧空洞最严重的是南北极和青藏高原地区?

为什么世界上臭氧空洞最严重的是南北极和青藏高原地区?
臭氧层在大气中是极其脆弱的一层气体,如果在零度的温度下,沿着垂直的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.科学家在南极地区最早发现了严重的臭氧层破坏.南极是一个非常寒冷的地区,终年被冰雪覆盖,四周环绕着海洋.在过去10-15年间,每到春天南极上空平流层的臭氧都会发生急剧的大规模耗损.极地上空臭氧层的中心地带,近95％的臭氧被破坏.从地面向上观测,高空的臭氧层已极其稀薄,与周围相比像是形成了一个“洞”,直径上千千米,“臭氧洞”就是因此而得名的.臭氧洞可以用一个三维的结构来描述,即臭氧洞的面积、深度及延续时间.1987年10月,南极上空的臭氧浓度下降到了1957-1978年间的一半,臭氧洞面积则扩大到足以覆盖整个欧洲大陆.
从那以后,臭氧浓度下降的速度还在加快,有时甚至减少到只剩30%,臭氧洞的面积也在不断扩大.1994年10月观测到臭氧洞曾一度蔓延到了南美洲最南端的上空.近年臭氧洞的深度和面积等仍在继续扩展,1995年观测到的臭氧洞的天数是77天,到1996年几乎南极平流层的臭氧全部被破坏,臭氧洞发生天数增加到80天.1997年至今,科学家进一步观测到臭氧洞发生的时间也在提前,1998年臭氧洞的持续时间超过100天,是南极臭氧洞发现以来的最长记录,而且臭氧洞的面积比1997年增大约15%,几乎可以相当三个澳大利亚的面积.这一迹象表明,南极臭氧洞的损耗状况正在恶化之中.
为什么“三极”上空臭氧层所受的破坏反而比较严重呢?氧层破坏比较严重的地方在地球的“三极”上,即北极地区、南极地区和青藏高原的上空.美、日、英、俄等国家联合观测发现,近年来,北极上空臭氧层也减少了20%.在被称为是世界上“第三极”的青藏高原,中国大气物理及气象学者的观测也发现,青藏高原上空的臭氧正在以每10年 2.7% 的速度减少.根据全球总臭氧观测的结果表明,除赤道外,1978-1991年总臭氧每10年间就减少 1%-5%. 地球上的这“三极”自然条件恶劣,人烟稀少,当地人们向大气中所排放的氯氟烃数量有限,为什么“三地”上空臭氧层所受的破坏反而比较严重呢?臭氧层就位于平流层当中.对流层是高度最低的一层,它和人类的关系最为密切,人类在向大气中排放的有害气体首先进入到该层当中.由于“三极”地区上空的对流层较低,相应的平流层的高度也随之降低.人们向对流层大
气中排放的氯氟烃会随着大气的环流运动而到达“三极”地区的上空,正是因为“三地”的平流层较低,所以氯氟烃能到达平流层中而破坏臭氧层.实际的观测结果也正是如此：南极地区气温最低,平流层也最低,臭氧层破坏最为严重,已经出现了臭氧空洞；北极地区臭氧层破坏较南极地区轻一些,青藏高原地区臭氧层破坏较北极地区又轻一些.实际上,臭氧总浓度的减少在全球范围内发生.利用地面观测和卫星资料,中国气象科学院的周秀骥报道了我国在青藏高原存在一个臭氧低值中心.中心出现于每年六月,中心区臭氧总浓度的年递减率达0.345%,这在北半球是非常异常的现象.根据全球总臭氧的观测结果,除赤道地区外,臭氧浓度的减少在全球范围内发生,臭氧总浓度的减少
情况随纬度的不同而有差异,从低纬到高纬臭氧的损耗加剧,1978年至1991年间每十年的总臭氧减少率为1%-5%. 南极臭氧洞为什么发生在春季（9—11月）?在南极地区的大规模大气物理和化学综合观测以及相应的化学动力学理论和实验研究,较好地回答了为什么主要在北半球中纬度地区排放的CFC对南极地区臭氧的破坏最大这一问题.在南极地区,每年4月～10月盛行很强的南极环极涡旋,它经常把冷气团阻塞在南极达几个星期,使南极平流层极冷（-84℃以下）,因而形成了平流层冰晶云.实验证明,在这种特定的条件下,破坏臭氧的两个过程（Cl＋O3→ClO·＋O2和ClO＋ O→Cl＋ O2）将因原子氯的活性大大增加而变得更为有效,这就使南极春天平流层臭氧浓度大幅度下降.在北极地区,虽然也存在环极涡旋,但其强度较弱,且持续时间较短,不能有效地阻止极地气团与中纬度气团的交换,再加上气体交换造成的臭氧向极区输送便使北极臭氧洞不像南极明显. 为什么至今最大的臭氧空洞出现在南极（而不是出现在其他地方）?目前,对于臭氧层空洞形成机制大致有三种理论解释：①动力气象学上的极地纬向环流变化造成输送至南极上空的臭氧减少,形成臭氧洞；②极地冰晶效应影响下的多相化学反应引起臭氧的减少,出现臭氧洞；③与太阳辐射变化相关的动力气象因素及光化学反应（包括人类活动影响）综合作用导致臭氧洞的形成. 与南极特殊的地理环境和气候状况有关.虽然南极与北极,每年都会有长达半年之久的漫漫严冬,但同样是漫漫严冬,南极将比北极更加寒冷（这是由于各自冬天时,地球处于绕太阳运行的轨道位置不同,以及赤道与地日运行平面的交角不同所致）,就使得南极臭氧问题变得更加突出了.
一般情况下,由于平流层的空气极为干燥,相对湿度只有1%左右,因此几乎没有云、雨等天气现象.但是,在南极极地长达半年之久的漫漫冬夜里,由于缺乏太阳照射,气温常会降至零下80℃左右,富含三水硝酸的极地平流层云PSC,就在这种酷寒的条件下形成了.
正常情况下,氯也会形成不破坏臭氧的氢氯酸、硝酸氯等“氯贮存质”,然而,在极地地区,极地平流层云PSC中所含的冰粒,不仅会使氯贮存物质释放出氯,更会进一步妨碍氯贮存物质的生成,从而加速臭氧的分解.其中,PSC中所含的三水硝酸会与氯贮存物质反应,释放出氯气.氯气极不稳定,一旦到了大约9月,也就是极地地区的春季,阳光普照,空气回暖,氯气就能在短短数小时内,被紫外线分解成2个氯原子,氯原子就立即开始进行如前所述的臭氧分解反应.
除PSC之外,南极另一种与臭氧空洞形成有关的气候特征,就是所谓“极地涡旋”.极地涡旋形成的时间,是在南极冬季开始时.由强烈的冷气团环流所形成的涡旋,会一直持续到大约11月,也就是温度回升之时.由于形成极地涡旋的冷气团风速强劲,因此涡旋内部的空气,会与极地周围的大气完全隔离,从而使低纬度地区吹来的温暖而富含臭氧的空气,无法进入涡旋内部,这样涡旋内部温度就无法上升,这将有助于生成PSC,造成臭氧分解；同时,吸收紫外线辐射而使大气保持温暖的臭氧被分解,气温降得更低,这又促进了PSC的生成,使低温的极地涡旋更为稳定.
极地涡旋和PSC互相反馈、互相增益的机制,使南极臭氧含量在每年大约10月间达到最低点,11月份后,随着温度回升,极地涡旋瓦解消失,PSC也随之消融.随着外面富含臭氧的空气大量进入,南极臭氧的含量也就随之逐渐回升. 南极臭氧洞的形成是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程,但其产生根源是地球表面人为活动产生的氟里昂和哈龙,曾经是一个谜团的臭氧洞得到了清晰的定量的科学解释.但是令人忧虑的是,CFC和Halon具有很长的大气寿命,一旦进入大气就很难去除,这意味着它们对臭氧层的破坏会持续一个漫长的过程,臭氧层正受到来自人类活动的巨大威胁.青藏高原是否会继南北两极后出现第三个臭氧洞为解开谜团,中日科学家联合对青藏高原进行大气臭氧长期同步观测.我国专家研究认为,青藏高原的臭氧低谷与南极的臭氧空洞的规模相差悬殊.自从1996年我国科学家宣布发现青藏高原臭氧层低谷以来,全世界都在密切关注：是否世界第三级也出现了类似南极的臭氧层空洞,它的稀薄程度究竟如何,它的成因如何,它对人类生存的生态环境的影响将如何,它还是否能有望恢复……为了解答这一系列问题,1998年6月,一个为期两年的“青藏高原大气臭氧和气溶胶的观测研究”项目在拉萨展开.2000年8月,主持这个项目的中国科学家石广玉研究员,向媒体宣布了研究成果.此次项目的展开,是世界上第一次高原实地勘测并取得青藏高原有关臭氧分布的第一手数据,而此前的科学研究都是利用其他数据推导而得出的臭氧情况结果.
震动世界的青藏高原臭氧低谷
1996年,以周秀骥院士为代表的我国科学家利用地面观测资料和分析美国气象卫星资料,首次发现青藏高原上空在夏季存在臭氧低值中心.科学家计算出了整个中国地区12年(1979～1991）平均的臭氧总量月平均值分布.发现1月份臭氧总量的月平均值分布等值线基本上与纬圈平行.但到6月份,在青藏高原上空出现了明显的臭氧总量低值中心,这个中心一直维持到9月份.而最高差别发生在6月,高达11％.科学家还列出了拉萨月平均臭氧总量值从1979年到1991年的变化,发现中心逐年在加深,其平均年递减率达0.35％.由此可见,青藏高原夏季存在的臭氧损耗增强的物理化学过程,其损耗虽不如南极“臭氧洞”,但在北半球是非常异常的现象,科学家称之为青藏高原“臭氧低谷”.
臭氧是由3个氧原子构成的分子,地球大气层的臭氧层,可扩展到距地表30公里以上,起隔离太阳有害紫外线的作用,被喻为地球的“保护伞”.但是,由于近年来氟里昂的大量使用,对臭氧层起了致命的破坏,南北两极相继被发现存在臭氧空洞或臭氧亏损.现在发现青藏高原上空也有臭氧低谷现象,这可能使紫外线大量入侵,导致当地居民白内障等疾病发病率增加,动植物变异,冰川消融加剧,生态环境受到威胁.
对流层臭氧增加和平流层臭氧减少,对于人类的生存和发展造成了严重威胁.自1985年发现南极臭氧洞以来,臭氧问题和人类活动对臭氧的影响一直是一个世人注目的热点问题.青藏高原是否会继南北两极后出现第3个臭氧空洞,这个问题成为举世瞩目的焦点.我国科学家发现了青藏高原臭氧低谷,但是,对青藏高原臭氧异常损耗的原因还难以做出充分的科学解释.显然,获得第一手观测资料将具有重大的科学意义.
青藏高原会成为第二个南极吗?
石广玉介绍,青藏高原的臭氧低谷与南极的臭氧空洞的规模相差悬殊.
青藏高原的确存在夏季比同纬度地区臭氧总量偏低的情况,但是这个地区的臭氧垂直分布规律还是比较正常的,也就是说：1979年以来拉萨上空大气臭氧总量的逐年递减,与北半球臭氧减少的趋势是一致的,它主要是由于CFC(氯氟烃）排放造成的全球的臭氧递减的结果.而南极的臭氧空洞形成,则是由于它周围大气环流造成的“气障”阻碍了从低纬度地区输送而来的臭氧的通过.本来臭氧最集中于距地面20～30公里高度的平流层,在空洞最明显的季节,在南极地区这一高度的臭氧含量几乎与地面相仿,只占原来应有比例的1／10左右.而从每年6～10月,与同纬度东部地区相比,青藏高原上空的臭氧总量偏低10％以上,但随着各国对保护臭氧层的日益重视,青藏高原上空臭氧损耗将逐渐平缓.所以石广玉强调,青藏高原只能称“臭氧低谷”,而南极则是“臭氧空洞”.
另外,科学家发现,除青藏高原之外,在落基山、伊朗高原和安第斯山等其它高山地区上空也有类似的现象出现,但是以青藏高原上空最为显著.研究分析,这是由于青藏高原的面积和海拔高度最大造成的.研究还发现,除了高山地区,在太平洋等地的高空也有类似臭氧低谷的现象出现,这就说明某一地区某一季节大气臭氧低值可能与全球大气环流所带来的臭氧输送有关.所以青藏高原上空的臭氧低谷现象基本上是一种自然现象,不必担心出现类似南极臭氧空洞的那种情况.
有观点认为,除工业排放的废气破坏了臭氧层外,热力和动力作用也是导致高原上空出现臭氧低谷的重要原因.对此,石广玉表示,这只是可能的原因之一,目前还不能确定其准确的成因,因为这一学说很难解释为什么自1979年以来青藏高原上空的臭氧减少有逐年增强的趋势,它缺乏能证明同期的上升气流有逐年增强的实测资料.石广玉强调,在青藏高原上空出现的臭氧低谷,与在南北两极上空观测到的大气臭氧减少可能有很大的不同.在两极宁静大气中的臭氧减少,主要是化学过程引起的,而发生在青藏高原上空的臭氧低谷,很可能是由动力过程和化学过程,特别是与大气气溶胶有关的非均相化学过程紧密结合在一起而产生的.因为观测资料表明,拉萨地区上空15～25公里的大气气溶胶浓度明显偏高.
目前,科学家对青藏高原臭氧低谷的成因,还不能做最后的定论,因为臭氧分布是受到大气、地质、地球进化与人类活动等多重因素共同作用的结果.但是科学家对青藏高原的未来还是表示乐观,石广玉认为,从获得的有关数据分析,按照目前的发展趋势,青藏高原上空可能不会出现臭氧空洞,其损耗的臭氧有望在50年内与全球大气臭氧一同恢复.