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极地臭氧层空洞(Arctic and Antarctic o

时间: 2020-07-17 浏览量:204


义守大学生物科技学系王瑜琦助理教授/美国Stony Brook University王瑜君物理学博士责任编辑

南极臭氧层空洞 (Antarctic ozone hole)
南极臭氧层空洞成为国际注目的焦点,是起于1985年发表在《Nature》的一篇文章,其中英国南极观测站(British Antarctic Survey)的科学家Joesph Farman, Brian Gardiner, 和 Jonathan Shanklin报告他们发现,从1977~1984年,每年南半球的春季时(约9~12月)南极上空的大气臭氧含量约减少了40%以上。其他研究机构也证实这项发现,并指出臭氧量急遽减少的区域面积甚至大于南极大陆,高度则是介于12~24公里之间的平流层,这就是所谓的「臭氧洞」(图1)。其实并不是真正有个「洞」,而只是表示臭氧含量反常稀少的区域。南极臭氧层厚度变化极大,从100至400 Dobson Unit,而厚度若在220 Dobson Unit以下,即称为臭氧层破洞。另一种臭氧层破洞定义方式是指臭氧密度不到1975年值的33%的区域。

极地臭氧层空洞(Arctic and Antarctic o

图1:1980-2006年 南极上空臭氧层空洞面积的变化情况 (图片来源:NASA,《全球环境展望 4》p. 69 )

虽然科学已经知道CFCs是造成臭氧洞的主要原因,但是由于南极地区特殊的气候型态,使科学家相信,南极臭氧洞应是平流层化学反应与大气环流变化等多种因素交互作用下的结果。北半球的污染物主要释放在大气的对流层中,但在对流层中并不会受到破 坏,当经过了大气的循环作用传送至平流层时,才能吸取紫外线作光化学反应,但此时南北半球在平流层的污染物密度,经过了充分混和后并无很大差异。

造成氟氯碳化物 (也称作氟利昂)(chlorofluorocarbons 简称CFCs)在南极上空较易产生光化学反应而形成臭氧破洞的主要因素是南北极圈海路的差异性。南极大陆块的平均温度因海洋调节的缘故比北极圈的平均温度低,南极冰冻大地的上空平流层温度非常的低(约零下80 °C),而较易形成所谓的极区平流层云(Polar Stratospheric Clouds,PSCs)(图2)。CFCs经过了大气中化学反应会形成ClONO2及HCl等化合物(称为氯贮存物质),并被吸附在PSCs表面。而PSCs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,加速臭氧与CFCs光化学反应,因此南极圈臭氧层的破坏速度会较北极为高。

极地臭氧层空洞(Arctic and Antarctic o

图2:南极极区平流层云(Polar Stratospheric Clouds,PSCs) (图片来源

另外一个与臭氧洞有关的南极气候特徵是「极地涡旋」(polar vortex)。有2个过程让极地涡旋与PSCs相互回馈补强,促成臭氧的破坏。其一是,极地涡旋形成的时间大约是在每年的5、6月间,也就是在南极冬季开始时,由强烈的冷气团环流所形成的涡旋,这种现象会一直持续到大约11 月,当温度回升时,极地涡旋才会消解。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周围的大气完全隔离,而从低纬度地区所吹来温暖而富含臭氧的空气,便无法进入涡旋,使内部温度无法上升,而有助于生成PSCs,造成臭氧分解。其二是,臭氧本身能够能吸收紫外线辐射,使大气温暖。一旦臭氧被分解,气温亦愈下降,又促进了PSCs的生成,也使低温的极地涡旋更为稳定。这二个让涡旋和PSCs互相回馈的机制,使南极臭氧含量在每年大约10月间达到最低点,之后,随着温度回升,涡旋瓦解,PSCs也随之消融,南极臭氧量方逐渐回升。

北极臭氧消耗(Arctic ozone hole)
基本上,北极臭氧层消耗的原理与南极一样。只是北极不会形成如南极一般的强大涡旋,而且北极涡旋存在的时间较短,因此目前臭氧分解情形并不严重(图3)。但是科学家已在北极上空发现有与南极相同浓度的氯,若再加上涡旋和PSCs之间的回馈作用,近年来在北极也发现有在冬季减少,形成类似臭氧洞的现象。其实,根据世界各地地面站和人造卫星的观测结果,长期以来,全球除热带地区之外的大部分区域,平流层臭氧都有稀薄化的倾向。

极地臭氧层空洞(Arctic and Antarctic o

图3: 1979-2002年极地春季时臭氧层消耗情况。下方:南极(9月),上方:北极(3月)。 (图片来源:ACIA,http://www.eoearth.org/article/Factors_affecting_arctic_ozone_variability_in_the_Arctic)

紫外线辐射对北极地区生态系统的影响
儘管紫外线辐射对南北两极地区都将产生影响,但由于北极地区的浮冰上有广阔的湿地和融化池及众多清澈的浅水湖泊能够使大量的紫外线辐射穿透,因此北极地区受到的威胁更严重。研究显示,紫外线对所有不同营养层次的淡水生物体都会产生直接伤害,而这种伤害能够分多级贯穿整个食物网。儘管我们现在对紫外线辐射的不良影响还知之甚少,但一般观点都认为它能够对与生长、色素沉澱和光合作用有关的许多生理和生物化学过程产生冲击。北极淡水中的无脊椎动物,尤其是浮游生物,非常容易受到紫外线的伤害,因为紫外线可以影响它们的繁殖、遗传、发育和生长速度以及色素沉澱。紫外线对鱼类影响方面的研究很少,但是实验室试验已经表明其对鱼类生命发育的各个阶段都会造成伤害,包括皮肤的损伤和晒伤、增大疾病传染的几率、对大脑造成损害并阻碍生长等。研究也证实,目前的紫外线强度可能已经对许多种鱼类的生存构成了挑战。幸运得是,许多生物体能够忍受、躲避或修复紫外线的伤害,或是能够生成自身的防御系统来抵抗紫外线。但是,气候变暖的影响可能会加重北极淡水生态系统暴露于紫外线辐射环境中。

参考资料:
1. 行政院环境保护署: 臭氧层保护在台湾(http://www.saveoursky.org.tw/main.asp?cat=)
2. 中文维基百科:臭氧层空洞 (http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AD%E6%B0%A7%E5%B1%82%E7%A9%BA%E6%B4%9E)
3. 联合国环境规划署《全球环境展望 4》(GEO4)第二章 (http://www.unep.org/geo/GEO4/report/GEO-4_Report_Full_CH.pdf)
4. International Arctic Science Committee (Lead Author); Sidney Draggan (Topic Editor) “Ozone and Ultraviolet Radiation in the Arctic”. In: Encyclopedia of Earth. Eds. Cutler J. Cleveland

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