臭氧层空洞为什么不在人口稠密的地区，反而在无人的南北极「中国第41次南极考察队招募」

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臭氧层空洞为什么不在人口稠密的地区，反而在无人的南北极

臭氧层，指的是离地面20到30公里高的，臭氧分子分布较密集的区域。它出现空洞的原因目前尚有争议，但普遍认为与大气中臭氧损耗物质的增多——即与人类活动有关。

图:南极臭氧层空洞（2000年时）。

臭氧层是地球生命的防护盾，不仅能保护我们不被阳光中过量的紫外线伤害，也是整个地球生态系统健康运行的保障。

既然臭氧层空洞是人类活动造成的，那为什么会存在于人口稀少的“地球三极”区域呢？

臭氧的形成需要两个要素:强烈的太阳辐射、较高的大气温度。强烈的太阳的辐射使氧分子分解成了两个氧原子，然后一个氧原子在适当温度（动能）作用下与一个氧分子（O2）结合，形成了一个由三个氧原子构成的臭氧（O3）分子。

图:臭氧的形成。

这样就能理解了吧，地球上太阳辐射最强、温度最适合臭氧合成的地方是赤道区域。大气中几乎所有的臭氧分子都是在赤道区域形成的，然后跟随大气环流铺满整个地球。两极区域距离赤道最远，很多臭氧分子还没到达就被氮氧化物和氯碳化物消耗掉了。两极本地又不具备生成臭氧的高辐射和高温度条件，那里的臭氧层自然就是全球最稀薄的了。

图:描述臭氧层空洞的漫画。

再看“地球第三极”——青藏高原。这里纬度不算高但海拔高呀，气候寒冷，空气稀薄，一壶水烧到80多度就开了。所以，青藏高原处的太阳辐射够用，但原材料（O2）少，温度低，无法在本地生成臭氧。炎热的印度洋能生成大量臭氧，但高高的喜马拉雅山脉阻挡了含臭氧暖流的北上。如果想改善青藏高原的臭氧层状况，除非听葛大爷的:在喜马拉雅山脉开个十公里宽的口子……

臭氧层空洞的危害和发展趋势。

如果认为臭氧层消失只意味着出门得抹防晒霜，那就大错特错了，过强的紫外线对各种生物的伤害都是全方位的。比如南极臭氧空洞最大的那些年（1987至1999），智利南部的牧民发现自己的羊很多都得了白内障，到处乱撞；河里的鱼同样视力受损，眼睛成了灰色；草原上的野兔好多都成了瞎子，据说可以直接走过去拎住兔子的耳朵把它们逮走。

图:臭氧层阻拦紫外线示意图。

最要命的是海洋。有害的紫外线能够穿透30米深的海水，破坏海洋表层浮游生物的细胞核从而杀死它们。如果两极的臭氧层空洞向低纬度区域扩张，温带海洋中的浮游生物将会被过量紫外线杀死四分之三（甚至到五分之四）。数量庞大的浮游生物是地球生态系统的基石，它们如果锐减，意味着海洋营养级金字塔的塔基被掏空，整个海洋生态系统将随之覆灭，重演一次泥盆纪生物大灭绝的悲剧。

图:浮游生物。

幸好幸好，这种恐怖的情况已经不大可能发生了——随着臭氧消耗物质（各种氟氯碳化物）的禁用，地球南北两极的臭氧层空洞正在逐年缩小。以南极为例，卫星数据显示，南极臭氧层空洞的历史最大值发生在2000年9月6日，面积达2990万平方公里。而2012年记录到的臭氧空洞本年最大值，发生在9月22日，面积为2120万平方公里，已缩小了41%，可喜可贺。那一年南极臭氧层空洞的平均面积最小值为1790万平方公里，这也是过去20年来第二小的数值。这对全人类和整个地球的生命而言，无疑是个好消息。

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臭氧层是如何形成的？

地球的臭氧层是由分子组成的臭氧，或O3。这些分子在地球周围提供了一个保护层，吸收大部分太阳辐射，特别是一些导致晒伤的有害紫外线。

当紫外线照射到氧气分子时，臭氧自然产生并将其中一些分解成单个氧原子。这些单个氧原子然后与其他氧原子结合2气体分子，形成氧3。在类似的反应中，O3分子可以分解成氧原子和氧分子2。

通过这种方式，臭氧、氧气和自由氧原子在平流层中不断地结合、分裂和重组。这些反应是由紫外线辐射的能量驱动的，紫外线辐射在这个过程中被吸收。

这些公式和图表说明了这个过程:

O2+氧+紫外线能量→氧3

O3+紫外线能量→02+0

臭氧层是如何被耗尽的？

20世纪80年代，科学家们注意到南极上空的臭氧层变得比平时薄得多。经过一些研究，大气科学家认识到这一点臭氧沉积e象征式互动是人类活动产生的空气污染物的结果——特别是无毒的气溶胶气体分子氯氟烃的释放。

含氯氟烃，或含氯氟烃，是化学惰性气体分子，通常用于灭火器、许多不同类型的气溶胶罐(如发胶)和冰箱冷却剂，始于20世纪20年代。使用这种产品会将氯氟化碳释放到大气中，这是几十年来没有人太担心的事情；毕竟，这些分子是化学惰性和无毒的，所以没问题，对吧？没那么快。

当稳定且惰性的含氯氟烃进入大气层后，它们不会分解，也不会与周围的任何物质发生反应，直到它们到达平流层，那里的紫外线辐射非常强烈。紫外线辐射的高能量足以将氯原子从氯氟化碳分子中分离出来。这些游离氯原子然后在以下反应中分解臭氧分子:

O3+氯→ ClO +氧2

尽管氧原子中的第三个氧原子3分子与氯原子结合，它更容易被其他单个氧原子吸引，所以在ClO化合物被创造出来后，它又很快发生变化，就像这样:

ClO +氧→氯+氧2

在这些反应中，氯氟化碳分子中的氯起着催化剂—它有助于打破O3分子和形成氧2分子。结果是，与臭氧形成和循环的自然循环不同，臭氧被分解成氧2而不是循环回O3因为没有游离的氧原子留给氧2结合。此图显示了这一过程。大气中氯原子的存在改变了自然臭氧反应(吸收紫外线能量的反应)

O2↔ O3

到

O3+ O → 2O2

第二个反应是由氯原子的存在驱动的，不吸收紫外线能量。结果是平流层缺少臭氧分子；由于这种变化，臭氧层的保护层在全世界范围内逐渐变得越来越薄，越来越缺乏保护。

臭氧空洞的形成与气候的寒冷有关，事实上，地球上不仅南北极，现在青藏高原上空也发现了臭氧层在变薄，这里正是我国夏季气温最低的地方。

或许正是因为臭氧空洞在人稀少的南北两极，让更多的人免受紫外线照射，但可以肯定的这决不是天的仁慈，而是对人类发岀的警告，至于为什么空洞岀现在两极，那需要专家解读，或许与地球的极向或是与地球轴芯自转有关，

或许是因为南极自己憋了个“自杀”的大招！

首先要庆幸，臭氧层空洞没有在人口稠密的地区，因为臭氧层拦截的大量紫外线对生物有危害作用，如果紫外线直射地表，大量生物将会灭绝。

图：在如果不禁止生产氟利昂的情况下，NASA对臭氧层被消耗的预测

为什么目前臭氧层空洞只在极地发生？这跟极低的地理情况息息相关。

臭氧层的形成

• 太阳辐射

实际上，臭氧吸收紫外线的过程，也是臭氧的形成的过程。太阳辐射含有7%的波长从200nm~400nm间的紫外线。

• 臭氧形成与消失

大气层中含有大量的氧气分子，当太阳辐射进入到大气，小于240nm波长的紫外线会被氧气分子吸收，并光解出两个氧原子（2O），氧气原子又会和氧气分子（O2）结合生成臭氧分子（O3），不过剩余的200nm~310nm波长的紫外线又会被臭氧所吸收，从而分解成一个氧气分子和一个氧原子，然后氧原子又会氧气分子继续结合成臭氧。

由此可见臭氧是一个非常临时的分子，它的生命不到一秒钟！臭氧是在光线照射到大气中时形成的，因此赤道被太阳直射自然可以形成更多的臭氧。因此，当到达两极的光越来越少时，即使没有“氟利昂”去消耗它，臭氧也会在两极变稀，。

定期空洞

• 阳光少

虽然人类释放对它有害的气体是长期存在的，但是如果你明白了臭氧与紫外线的关系，也就能明白臭氧层出现空洞为什么是定期的。

根据我们以往的空洞记录会发现，一般空洞发生在冬季快要转变为春季时。如果去过冰岛北部旅游的（在北极圈以内），都应该了解，在极地有部分地方冬天有极夜，也就是没有白天，这样的日子要持续半年左右，所以臭氧无法增加，极地其他地方的臭氧及时过来补充，整体就会被摊薄。

• 极地平流层云（PSC）

当平均温度非常低，阳光减弱，高温频率低的时候，大量水汽会在平流层会形成冰云，极地具备这样的条件。在冬天，极地被大陆吹来的强大的圆形风所围绕，会形成极地涡旋，使极地形成隔离。隔离可阻止其他地方空气进出极地平流层，无法形成热交换。

在冬季，极地的平流层拥有形成平流层云的条件，外围的空气又无法进入进行平衡，所以冬天的极地很容易形成极地平流层云（PSC）。

图：南极上空的极地平流层云（PSC）

PSC存在于平流层的下部与臭氧层接轨，更是阻碍了臭氧层吸收紫外线。同时由于温度低，PSC还有个外号叫做长寿冰云，其中会形成大量的冰晶，冰晶是破坏臭氧层物质的容器。

• 氯化物

一般情况下臭氧会被一些游离基催化分解形成氧。主要的游离基一部分为大自然的产物，一部分为氯原子和溴原子则是由于人类活动产生的，主要以氯氟烃（CFC）为主。

平流层中氯原子的来源，15%+3%为自然产生，其他为人为造成。

正常情况下氯氟烃（CFC）是一种非常惰性的分子，所以它可以在整个对流层扩散而不会退化。一旦到达平流层就可以地球“任我游”，迅速在全球传播。太阳的紫外线辐射可以分解CFC，形成反应性氯物和溴化物，它们都是臭氧的杀手。

当反应性氯物不断地在平流层溜达，又最终来到极地遇到冰晶时，冰晶会吸收并浓缩空气中的反应性氯，这简直就是一个不断吸收增援、憋大招的过程。

当春天快要到来，太阳回来，温度逐渐升高，云中的冰融化，憋了很久又一顿浓缩的反应性物质被释放出来，就会如同“冲击波”一样开始大规模分解与它接壤的臭氧层，形成氧气。

本身极地就经历了少阳冬天的稀薄臭氧层，在这般摧毁下臭氧浓度迅速下降，而低纬度地区的臭氧混合缓慢，无法快速填充稀薄区域中的臭氧，于是极地的臭氧层就会达到“空洞”的阈值。但这实际并不是真正意义上的“洞”，只是在平流层下方的臭氧被破坏，在平流层上方并没有受到影响，但相对下方的陆地来说，上方的臭氧减少了50%以上，无法大量过滤紫外线。

臭氧层空洞恢复

一般情况下臭氧空洞属于大自然的自然运转，人类是无能为力的，不过通过上文我们也可以知道臭氧层需要紫外线，需要破除冰云，所以当春季来临，阳光普照，万物复苏，冰云融合，破坏物释放掉，就再也没有什么能阻止臭氧的生成，臭氧层很快就能得以恢复。随着人类对CFC的管制，虽然臭氧层空洞还会形成，但空洞的恢复的时间与速度逐步提前了。

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