北极臭氧洞在2014至2016年达到极大值

已有 111 次阅读 2011-4-1 15:00 |个人分类:科技点评|系统分类:观点评述|关键词:北极臭氧洞 火山灰 极涡 月亮赤纬角 太阳风

                       北极臭氧洞在2014至2016年达到极大值

                                  杨学祥，杨冬红

近日，中国风云三号卫星臭氧总量探测仪在北极上空监测到一个明显的臭氧低值区，在该低值区内臭氧总量是正常情况下平均值的一半左右，部分地区的臭氧总量达到了臭氧洞的标准(220DU)。专家表示，导致北极臭氧洞形成的主要原因是今年春季极寒冷的极涡内生成了极地平流层云，在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。臭氧浓度较低的地区可能向南最远已经延伸到纽约上空。他们发出警告说，皮肤癌风险或将提升。

                       北极臭氧洞形成的原因

是什么原因导致了这次的北极臭氧洞？专家说，原因很多，但最主要的可能是极端气候和火山的原因。专家说，1991年，菲律宾的大火山喷发导致当年北极的臭氧浓度变低；1995年～1997年北极臭氧浓度很低，也和火山有关。美国宇航局曾经对过去30年火山和臭氧浓度的关系进行过研究，专家们发现，火山灰是“臭氧杀手”。火山喷发后会散发出大量的火山灰，还有大量的气溶胶。这些火山颗粒物会在大气平流层滞留一两年时间才沉降到陆地上。当这些颗粒物停留在平流层，它们就会和空气中的臭氧发生化学反应，形成冰晶云。它们加速了臭氧的消失。

此外，极度的冷空气涡是“二号杀手”。专家说，去年冬天、今年春天，北半球的气温极低，这股极寒冷的极涡生成了极地平流层云，它们在太阳紫外线的作用下释放出破坏臭氧的卤素原子。

和人类活动有没有关系？专家说：“人类活动释放的氟利昂、气溶胶导致臭氧浓度降低是一个逐渐递减的过程，但今年北极臭氧洞的形成比较快，和人类活动关系不是很大【1】。”

我在1999年指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为人类使用的氟利昂。这一观点发表在今年5月份出版的《科学美国人》杂志中文版上。我在论文中指出，有3个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧【2】。

根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。臭氧洞应该周期性地在南北两极轮流出现【2-4】。

2011年北极臭氧减少的背景是：太阳活动由2009年的谷值向2013年的峰值过渡，太阳高能粒子活动逐渐增强；2011年1-3月北半球受到低温暴雪的袭击，低温和北极涛动强烈；2010年3月爆发的冰岛火山喷发，巨量的火山灰不仅降低了气温，而且破坏了臭氧。

北极臭氧洞在氟利昂停滞消耗臭氧的条件下产生，自然规律再次出人意料地证实了自身的存在，人类的努力如猴子捞月亮，劳而无功，甚至帮了个倒忙【5】。

澳大利亚气象学家E.布赖恩特指出，形成南极“臭氧洞”的理论看似完美无缺，其实也存在不确定性。例如，因为卤化烃不是减少平流层臭氧的唯一机制。能够清除平流层臭氧的许多基都能自然出现，如OH和NO即在太阳耀斑随太阳黑子活动而增多的过程中明显增多。此外，火山缓慢喷发及爆发会放出比CFCs中高5倍的氯，氯还是燃煤、丛林大火、海藻分界及盐喷溅的副产品。大气中每年盐喷溅出的氯比CFCs中的大100多倍，这些氯大多在大气低层消失。大的火山喷发制造了大量的以氯化氢的形式存在的氯，并将其注入平流层。坦博拉火山和喀拉喀托火山分别在1815年和1883年喷发，向大气释放了21100t和3.6×106t氯。1982年墨西哥厄尔冲火山的喷发使臭氧的总量减少了2%，而近来在1991年6月发生的皮纳图博火山大喷发在3~6个月就使臭氧减少了20%。火山喷发也会大量增加大气上层的硫酸盐气溶胶，它们有助于释放促使臭氧消耗的氯根，同时增加平流层低层的“非氧化”，这种反应的氧化氯含量不受限制，会通过化学反应消耗臭氧【6】。

事实上，对氟里昂的研究导致大气氯离子层和钠离子层的发现，大气中的钠离子和氯离子是氯化钠光解的结果。氟里昂的光解、氯化钠和氯化氢的光解和电解都可以产生氯离子。我们曾指出，大气中的氯离子不仅来自氟里昂，而且来自温暖海水中NaCl的蒸发和光解、大气与海洋的放电作用（电解食盐水）、酸雨（富含CO2和SO2）对海水中CaCl2的复分解反应和火山喷发。气温下降，海洋表面温度降低，将导致NaCl蒸发和CaCl2复分解反应的减慢【7，8】。

过去人们认为，破坏臭氧的含氯化合物都是人为产生的。最近发现，天然生成的溴也是臭氧的破坏者【9】；由腐烂植物所产生的氯化碳氢化合物在土壤、沉积物和天然水中的分布比无机氯更丰富【10】。Casey指出【11】，这个发现“带有惊人的社会和科学意义。”可惜，人们忽视了这个发现。

                 大气的全球对流循环：氟利昂向南极集中

北半球的大陆面积和人口占全球的大部分，人为产生的氟利昂也集中在北半球。如果是氟利昂的原因，则臭氧空洞应该出现在北极而非南极才能解释得通。仅凭大气的半球对流系统，北半球的氟利昂无法进入南半球，这就需要一个大气的全球对流系统。

从春分到秋分，是北极的极昼，太阳风和光压压缩地球磁层和大气层，在背光一面形成地磁层的磁尾和大气的气尾，大气由北半球向南半球流动；从秋分到春分，是南极的极昼，太阳风和光压压缩地球磁层和大气层，在背光一面形成地磁层的磁尾和大气的气尾，大气由南半球向北半球流动，这样就形成了大气的全球对流系统。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这使大气北流的强度大于南流的强度。大气南北半球之间的交换在大气高层非常强烈。潮汐南北震荡增强了大气的全球对流循环。

类比于彗星质量的消失，我们可以模拟出行星大气的消失过程。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走，形成背光的“气尾”；当行星向离开太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当大数量的大气质量。这是近日行星原始大气完全丧失殆尽的原因，也是水星和火星的大气非常稀薄的原因。因为在近日行星中，水星与火星的轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093；而地球的偏心率较小，为0.017，金星的偏心率更小，为0.007。显然，近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比。类比与彗星的大气散失，就可以解释为什么近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失的比较多，大气非常稀薄。

原苏联“福波斯”2号探测器发现，在火星黑夜的一侧现在仍有大量氧气向宇宙流失[9]。这一事实证明了火星背光气尾的存在。由以上推理可知，公转轨道偏心率很大的火星向太阳靠近的时候，背光“气尾”变长且质量损失变大；远离太阳的时候，背光“气尾”变短且质量损失减少【12】。地球大气的气尾有南北摆动的特征，是大气全对流球循环的证据。

赤道辐合带（ITCZ）环绕着地球，南、北半球的信风在此汇合辐合。海洋的最高温度与ITCZ的年平均位置有关。ITCZ并不确切地位于赤道上，而是偏北5~10个纬度。该地区信风的辐合及高的海表温度造成大气的上升运动，形成降水云系.ITCZ的正常位置与季节循环密切相关。因此，通常人们都知道它的一般位置和季节变化。但是对于特定的季节或年份，其精确位置和类似产生降水过程的强度等若干特征可能发生变化。厄尔尼诺和南方涛动是造成ITCZ活动异常的重要因素。

赤道辐合带为什么向北偏移？这与南北半球的陆海分布有关，也与南极的极涡比北极强大有关。这是北半球的氟利昂能够向南极集中并且能破坏臭氧的原因之一。南极涡旋强度的减弱，降低了氟利昂向南极集中的动力，导致氟利昂大量聚集在北半球，这可能是南极臭氧洞封闭，北极臭氧洞打开的原因之一。

两极臭氧洞首先是自然的产物。极夜和极昼的交替，极涡和低温条件，火山灰向极地的集中，臭氧洞在南北两极的轮换，都是自然规律运作的结果，远非人力所能控制。北半球大陆集中，人口稠密，如果《蒙特利尔议定书》的努力只是将臭氧洞从南极迁移到北极，这项成功究竟是福音还是灾难【5】？

                 北极臭氧洞的发展趋势：2014-2016年最大

“臭氧浓度低的气团向美国飘移，那是因为全球大气环流的原因造成的。其实也不用太紧张，北极上空的臭氧浓度，过了4月就会逐渐恢复正常。”专家说，不过，北极臭氧稀薄也就是出现在春天，1月和2月，北极都是极夜，照射不到太阳；3月～4月，臭氧浓度会变得相对稀薄，之后，就会逐渐恢复正常。记者看到了一组1970年～2005年北极的臭氧浓度曲线图。通过这个曲线图，可以看出北极每年的臭氧浓度是波动的，于1995年～1997年达到一个极低值，当时的臭氧浓度也在220DU的边缘，但，1998年，北极臭氧浓度迅速回升到270DU左右。“臭氧浓度年年都不太一样，时高时低的。”专家说，北极的臭氧洞会不会像南极一样，年年都有？这很难说，或许明年这个臭氧洞就已经消失了，北极的臭氧浓度就恢复正常了【1】。

图1  1996-2005年3月北极臭氧浓度变化

新华社布鲁塞尔2005年1月31日电 欧洲科学家新近证实，连续50多年来，北冰洋上空平流层的气温每年冬天持续下降，今年已经达到历史最低点。专家认为，如果这种极度低温现象持续下去，北极上空臭氧层在未来数十年中还会继续变薄，空洞将会继续增大。

　　欧盟委员会31日公布了欧洲科学家的上述观测结论。欧盟委员会负责科学和研究的委员亚内兹•波托奇尼克对此指出，今年北冰洋遭受酷寒，科学家已经发现这种天气对臭氧层造成的破坏。

据欧洲科学家介绍，北冰洋地区的臭氧层从上世纪80年代开始变薄。臭氧层变薄和空洞加大造成的直接后果是紫外线对人类损害加大，这将导致皮肤癌和白内障患者人数增加，并将导致一些物种灭绝。目前，科学家正在密切跟踪观测，加紧研究，以期弄清臭氧层空洞将以何种速度扩大，为什么北冰洋上空平流层气温连年冬天持续下降，以及哪些国家将会受到影响等问题。他们认为，北极上空臭氧层变化不但将影响北极无人居住地区，而且将危及斯堪的纳维亚和中欧地区【13】。

从图1中可以看到，1996-1997年和2004-2005年是北极臭氧浓度的低值期，其中，1995-1997年为月亮赤纬角最小值时期，2005-2007年为月亮赤纬角最大值时期。2014-2016年又是月亮赤纬角最小值时期，北极臭氧洞在这期间可能达到最大。

月亮赤纬角最小值时期的潮汐南北震荡幅度变小；月亮赤纬角最大时期的潮汐南北震荡幅度变大。这两个时期为什么北极臭氧浓度减少，需要一个合理的科学解释。

2011年3月北极臭氧洞的形成是以下条件的叠加：太阳活动由2009年的谷值向2013年的峰值过渡，太阳高能粒子活动逐渐增强；2011年1-3月北半球受到低温暴雪的袭击，低温和北极涛动强烈；2010年3月爆发的冰岛火山喷发，巨量的火山灰不仅降低了气温，而且破坏了臭氧。

2013年太阳活动达到最大值，2014年月亮赤纬角达到最大值，2013-2014年可能发生强拉尼娜事件，2014年可能有特大地震发生【14】，类似今年的北半球低温暴雪将再次发生，2013-2014年北极臭氧洞可能进入最大值时期。

参考文献

1.       胡玉梅，安莹。北极上空疑现首个臭氧洞 或已延伸到纽约上空。凤凰网资讯。2011-3-31来源：现代快报。http://news.ifeng.com/world/detail_2011_03/31/5477890_0.shtml

2.       杨学祥。地球历史上出现最大臭氧洞是火山爆发造成 （转载）。2009-9-24 19:02科学网。http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2277&do=blog&id=257627

3.       地球历史上出现最大臭氧洞是火山爆发造成。2007-06-06 08:28:53 http://www.cnhubei.com/200705/ca1355014.htm

4.       周长庆，高景泰。我国科学家杨学祥提出新观点:臭氧空洞"元凶"是太阳风。科技文萃。 1999, (8)。http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjwc199908034.aspx

5.       杨学祥。停止排放氟利昂后的北极臭氧洞：重新审视成因。2011-4-1 07:03科学网。 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2277&do=blog&id=428523

6.       E.布赖恩特。气候过程和气候变化。刘东生 等译。科学出版社，2004。158页。中国科学院研究生院教材。

7.       杨学祥. 大气氯粒子层的形成原因. 中国学术期刊文摘, 2000, 6（3）：370~371

8.       杨学祥。人类修复臭氧洞的努力遭遇尴尬。2006-10-25 上海热线 绿色论坛。http://www.envir.gov.cn/forum/20068918.htm

9.       Hebestreit K, Stutz J, Rosen D, et al. DOAS measurements of tropospheric bromine oxide in mid-Latitudes[J]. Science, 1999, 283: 55-57.

10.   Satish C B M. Formation of stable chlorinated hydrocarbons in weathering plant materiall [J]. Science, 2002, 295: 1039-1041.

11.   Casey W H. The fate of chlorine in soils[J]. Science, 2002., 295: 985-986.

12.   杨学祥。透过专家看世界：专家观点仅仅是某专业的观点。上传日期：2004-7-26上海环境热线 绿色论坛。http://www.envir.gov.cn/forum/20043755.htm

13.   卢苏燕。低温将加大北极上空臭氧空洞。2005-2-3文章来源：科技日报（2005.02.02） http://www.bjkp.gov.cn/bjkpzc/kjqy/hjkx/32611.shtml

14.   杨学祥, 杨冬红. 全球进入特大地震频发期. 百科知识2008.07上,《百科知识》2008/07上, 8-9. http://www.jllib.cn/library/magazine/20080707k.htm

图1 1996-2005年3月北极臭氧浓度