为什么南极臭氧洞通常都在9月突然爆发？

每年8月下旬至10月上旬，南极大陆上空约10至20公里的平流层中，臭氧总量会急剧减少，几乎形成周期性出现的“臭氧洞”。

这一现象在9月突然爆发并10月份达到峰值——此时臭氧损耗最为剧烈，洞的面积最大、深度最深。但这一看似规律性的自然现象，直到20世纪下半叶才在南极大陆出现并进入人类的认知视野。

2000年9月9日臭氧洞空间分布。

图中蓝色和紫色区域为南极臭氧洞的范围，

外围的黄色和红色表示高浓度臭氧区域。

图片来源：NASA

1985年5月，一篇发表在《自然》杂志上的论文像一颗投入湖水里的炸弹，激起了科学界和国际社会巨大的反响。

根据英国南极哈雷湾站(HalleyBay)近30年的地基观测数据发现：南极上空春季的平流层臭氧层正在以惊人的速度下降、变得异常地薄，这就好像原来像一张在大气中的保护膜一样完整地覆盖着整个地球的臭氧层在南极上空像破了一个“洞”一样，这便是“臭氧洞”。

与此同时，日本南极昭和站（Syowa）也观测到了类似现象，而卫星资料的进一步分析更确认，“臭氧洞”不仅覆盖了南极大陆，有些年份甚至延伸到了南美洲的南端。

发现之后，更令人困惑的问题随之浮现：为什么全球臭氧损耗最严重的地方，偏偏是南极？又为什么偏偏发生在春季？答案，就藏在南极大气所处的独特地理气候环境之中并由此触发特殊的大气化学反应机制所致。

从计算机的模拟、

实验室的预言再到现实验证

先来回答：臭氧层为何仅仅出现在平流层？

英国科学家悉尼·查普曼做了一个开创性的研究：他用大气中含量最丰富的氧气来解释高空臭氧层的存在。

在一个只有氧气的世界里，短波的太阳紫外线（波长小于242纳米）像一把无形的“分子剪刀”，可以将稳定的氧分子剪切成单个的氧原子。这些化学性质极其活跃的氧原子，在氮气或氧气这类“第三者”分子的帮助下，会迅速与完整的氧分子结合，形成三个氧原子组成的臭氧分子。与此同时，臭氧分子不断地吸收紫外线而光解，变回氧气和单个氧原子；或者和氧原子碰撞，重新变回两个氧分子。

正是臭氧对太阳紫外辐射的吸收，使其在地球气候与生态环境中的双重重要意义：既是平流层气候的稳定器，也大大削弱了到达近地面的有害紫外辐射，从而保护地球生态系统。

然而，查普曼的这一理论也留下了一个“悬案”：因为按照理论计算，大气中臭氧层厚度应比实际观测值要高出两三倍。然而，事实却不是这样，这说明还有某种未被发现机制在额外消耗着平流层臭氧。

20世纪70年代初，年轻的荷兰科学家保罗·克鲁岑发现土壤中释放一种叫做一氧化二氮（N₂O）的惰性气体进入了平流层之后就会遭遇强烈的太阳紫外线并被光解，释放出高活性的氮氧化物（NO和NO₂，统称为NOₓ）。

克鲁岑提出了一个全新的催化循环：一个NO分子可以像“传送带”一样，先与臭氧（O₃）反应，消耗掉一个臭氧分子并生成NO₂；然后这个NO₂再与一个游离的氧原子（O）反应，重新变回NO，并再消耗掉一个氧原子。净结果是：一个NO分子毫发无损地循环往复，却导致一个臭氧分子和一个氧原子结合成了两个普通的氧分子（O₂）。这个循环反应在上平流层效率最高，因为那里有充足的氧原子。

这一发现彻底改变了人们的认知：平流层臭氧与生物圈和大气中痕量物质的复杂作用息息相关，这是首次将臭氧层的变化与人类活动（如大量使用化肥导致的N₂O增加）联系在了一起。

但更为炸裂的发现是在1974年。美国科学家马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰德在实验室内发现：氟利昂，近地面稳定的冷却剂进入平流层后会被太阳强烈的紫外线光解并生产游离态的氯原子从而对臭氧层造成严重的破坏。

这一发现在当时的确被关注一阵，但是人们普遍认为，臭氧损耗即便发生，也主要在平流层更高的高空，而过程会非常缓慢。然而当南极“臭氧洞”的发现是以无可辩驳的事实验证了这些科学家早期工作的正确性。而三位科学家也因此荣获了1995年诺贝尔大气化学奖。

异相大气化学反应：

南极臭氧洞的“真正元凶”

以氟利昂为首的氯氟烃释放的氯原子，究竟是如何在南极春季爆发出如此巨大的破坏力？答案在于南极平流层冬春季特殊环境下出现的一种化学过程——异相大气化学反应。

提及这种化学反应，首先得知道南极极地涡旋和极地平流层云这两种在极地平流层大气冬、春季中的特殊产物。

极地涡旋：南极极地涡旋的形成，核心驱动力是巨大的南北温差。当南极冬季来临，极地陷入漫长的极夜因得不到太阳辐射而剧烈冷却与中纬度之间形成了巨大的南北温度梯度。

这种巨大的温差激发出强大的西风“极夜急流”。这道急流如同一道无形的旋转高墙、“墙”内部便是孤立、寒冷的极地涡旋，它将南极上空的空气与中纬度暖空气彻底隔绝，而在极地涡旋的内部则是一个封闭的天然的“大化学实验室”。

冬春季南极地区的极地涡旋示意图

图片来源：郑向东 提供

极地平流层云的“温床”与异相化学：在极地涡旋的隔离下，涡旋内部空气因为不断冷却，在平流层下部（约15-25公里高度）轻易跌破-78°C极值。

这种极寒使得大气中原本微乎其微的水汽和硝酸，会开始凝结成微小的冰晶颗粒。这些颗粒起初只有微米级大小，却在阳光散射下呈现出珍珠般的光泽，这便是著名的极地平流层云（Polar stratospheric Clouds，PSC）。

PSC有两种类型：第一种由硝酸三水合物（NAT）构成，在-78°C左右形成；而第二种则是由纯水冰晶组成，需要更严酷的-85°C以下低温。这些云的出现是化学反应的转折点。

卫星观测到的南极平流层云随季节及高度分布频率

引自UNEP,《臭氧层损耗评估报告》.,2014

因为在通常的气态环境下，破坏臭氧的“主力军”——氯原子极不稳定，会迅速与甲烷或二氧化氮反应，转化为固态氯化氢和气态硝酸氯这类“化学惰性”的储库物质而失去了破坏力。

然而，极地平流层云的冰晶表面彻底改变了这一切：它让原本在气相中难以相遇的储库物质得以聚集并发生以下关键的异相的反应：

它的结果是：

（1）释放“杀手”：生产出大量的氯气。氯气虽然本身对臭氧无害，却是一个极不稳定的“休眠杀手”。

（2）“定点清除”氮化物：产生的硝酸会被迅速吸收进云层，并随着冰晶沉降到更低的大气层，这一过程被称为脱氮作用。这相当于清除了平流层中能够“中和”活性氯的氮氧化物，让未来被释放的氯原子再无“天敌”。整个漫长的极夜，PSCs就像一座座化学工厂，持续不断地将惰性的氯储备转化为活性氯分子，等待最终“点火”去损耗臭氧。

极地平流层云未参与（上）

及参与情形下的（下）

的Cl储库分析ClONO2及HCl所涉及的化学反应

图片来源：郑向东 提供

当南极的9月份、南半球的春天来临之时，阳光再次照耀极地平流层时，太阳光迅速光解在黑暗中积累的氯气、释放出海量的氯原子并立即投入“催化破坏循环”：一个从PSCs中释放出来的氯原子在被“中和”之前，反复破坏数万甚至数十万个臭氧分子。

倘若没有冬季形成的强大的极地涡旋，没有因极地涡旋而生成的这些极地平流层云和表面的异相化学反应，南极即便有再多的氯氟烃，也不会出现大规模的臭氧洞。

正是这套“物理隔离（极地涡旋）→极地平流层云（PSCs）→表面活化（异相反应生产Cl2）→阳光引爆（光解）→催化循环（损耗）”的完整链条，共同铸就了南极春季独一无二的“臭氧洞”。

相比之下，为什么北极很“淡定”？

与南极相比，北极的臭氧损耗远没有那么剧烈和频繁，很少形成真正的“臭氧洞”，但是最近16年内有两次（分别在2011年和2020年）北极春季平流层臭氧有两次显著地降低现象。

北极“臭氧洞”频率低的原因是：北极大气环流和地理条件与南极截然不同：北极地区多陆地和高山，大气波动更强，极地涡旋很容易被扰动甚至被打破，导致平流层冷空气泄漏，温度很难长时间维持在极低水平。

因此，北极的极地平流层云不仅形成范围小，而且存在时间也短，为异相反应提供的“舞台”远不如南极那样持久和稳定。

作者：郑向东 中国气象科学研究院研究员

审核：刘颖 李培元 张超 杨柳

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