作者：魏科
1985年5月16日，著名杂志《自然》发表了由英国南极科考队约瑟夫·法曼（Joseph Farman）和同事布莱恩·加德纳（Brian Gardiner）和乔恩·尚克林（Jon Shanklin）的文章，他们指出南极哈雷湾观察站自70年代中期起即出现严重臭氧损耗，到80年代初，10月平均的臭氧损耗超过40%，至此，南极臭氧洞这一严重的环境危机走入全球视野。
随后美国航空航天局检查了卫星观测数据，吃惊地发现在南极上空已经形成了一个巨大的臭氧层空洞，当然这不是一个真正的“洞”，而是说其中的臭氧浓度要大幅度低于周围，与周围相比，像是形成了一个“洞”，他们发现，这个“洞”的面积已经达到上千平方千米，比美国国土面积还要大。
(资料图片仅供参考)
20世纪80年代后，南极臭氧洞几乎每年都季节性地发生，且面积越来越大。1992年和1993年10月臭氧损耗非常严重，平流层部分区域臭氧浓度下降了99%。1998年12月世界气象组织(WMO)的观测发现，南极上空的臭氧层空洞连续近100天面积超过1000万平方千米，而同年9月份的最大面积更创纪录地达到了2790万平方千米（1998年9月19日）。南极臭氧洞最大面积出现在2000年9月9日，南极臭氧洞面积达到2990万平方千米，这么大规模臭氧洞已经能危及到南美洲大陆最南端的火地岛和阿根廷圣克鲁斯的南部地区。
不仅仅是在南极上空，北半球也可能出现臭氧洞事件，只是出现的频率比较低，大约每10年一次。历史上，北极在1997年和2011年都出现了较大规模的臭氧洞。2020年3月，北极地区再一次形成了更大的臭氧洞，此次臭氧低值区域面积达到3个格陵兰岛大小，约600万平方公里，其中符合臭氧洞标准（臭氧总量数值低于220DU）的面积超过了100万平方公里。这说明了臭氧总浓度的减少是全球性的。
紫外线壁障：臭氧层
臭氧层是生命攸关的保护伞。尽管臭氧在接近地面是重要的污染物，但是高层的臭氧却是地球上生命的保护伞。臭氧层能吸收绝大多数对人类有害的太阳紫外线，主要是一部分UV-A（波长320～400nm）,大部分UV-B（波长280~320nm）和全部的UV-C（波长200～280nm），UVB被称作红斑效应紫外线，是引起皮肤癌和白内障的主要因子。UVA也被称作黑斑效应紫外线，是皮肤美白的死对头，是引起皮肤晒黑、老化和起皱纹的主要辐射，根据目前研究，也是皮肤癌的原因之一。UVC又称为短波灭菌紫外线，可以破坏生命的DNA结构，是最危险的是紫外线，紫外线杀菌灯就是用UVC来对空气和食品进行灭菌。因此，臭氧的在环境中的作用被概括为“在天为佛，在地为魔”。
臭氧层的出现仅有大约6亿年的历史。在此之前，太阳光中的紫外线毫无遮拦地照射到地球表面，在短波紫外线UVC照射下，地球表面看不到生命的迹象，因此6亿年前生命都匍匐在深海之中，演变非常慢。当臭氧层在约6亿年前形成之后，海洋表面和陆地都变得安全起来，开拓了生命进化的领域。大概5.4亿年前，地球上发生了波澜壮阔的“寒武纪大爆发”，地球上突然涌现了各种各样的生物，生命从深海到浅海，然后从浅海到陆地，演变速度加快，才有了后来的恐龙和今天的我们人类。
臭氧层的稳定关系着地球生命的健康，臭氧层空洞的出现会使得到达地表的UV-B辐射强度明显增加，给人类健康和生态环境带来严重的危害。据分析，若平流层臭氧减少1%，全球白内障的发病率将增加0.6%~0.8%，全球每年由于白内障而失明的人将增加10000~15000人；若臭氧浓度下降10%，非恶性皮肤瘤的发病率将增加26%，人体免疫系统机能将会减退。另外，UV-B会破坏植物的叶绿素，影响植物的光合作用，使农作物减产。因此，臭氧洞的发现引起全球轰动，全球围绕臭氧层保护的工作开始进入快车道。
臭氧层的破坏与保护
科学界从上世纪70年代就明确指出，人类活动排放的氟氯碳化合物（CFCs）会对臭氧造成严重的损耗，这些损耗臭氧的物质（ODS物质），在近地面附近非常稳定，广泛应用于大型中央空调、家用空调、车载空调、冰箱等制冷设备，应用于聚氨酯（PU）硬质泡沫的发泡剂、抽提剂、溶剂、干洗剂、次序剂、气溶杀虫药发射剂等。但是当其释放进入大气之后，在平流层经过紫外线照射，释放出自由的Cl粒子，可以作为催化剂破坏臭氧层，据估计，一个Cl离子可以破坏10万个臭氧分子。发现臭氧损耗机理的保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）、舍伍德·罗兰（F. Sherwood Rowland）和马里奥·莫利纳（Mario J. Molina）也因此获得了1995年的诺贝尔化学奖。
为了保护臭氧层，国际社会1985年通过了《保护臭氧层维也纳公约》、1987年通过了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，在全球范围内限制生产、销售和使用8中对臭氧层有严重破坏作用的物质，其中包括五项氟氯碳化物和三项哈龙类物质。
《蒙特利尔议定书》在通过之后，为了加快进程、纳入更多发展中国家和扩大禁止化合物种类等，先后通过了《伦敦修正案》（1990年6月）、《哥本哈根修正案》（1992年11月）、《维也纳调整案》（1995年12月）、《蒙特利尔修正案》（1997年）、《北京修正案》（1999年11月）等，这使得《蒙特利尔议定书》形成“共同但有区别的责任”，对发展中国家和发达国家分情况对待，发达国家率先行动，并为发展中国家提供资金和技术支持，增强发展中国家能力，从而最终实现共同行动。
这个创举使得的《蒙特利尔议定书》成为第一个规定发达国家和发展中国家承担不同义务的国家环境公约，也使得《蒙特利尔议定书》成为有史以来全球所有国家取得完全一致的协定。前任联合国秘书长科菲·安南先生盛赞《蒙特利尔议定书》为“迄今为止唯一最成功的国际协议”。
在协议签署后的10余年间，共有超过85%的消耗臭氧层物质被淘汰。从2000年开始，随着人类对臭氧层破坏的减轻，大气层的自我修复功能开始发挥作用，臭氧层空洞不断增大的状况开始停止恶化，进入触底反弹阶段。2016年6月30日，美国麻省理工学院地球、大气和行星科学系著名大气化学家与气候学家苏珊·所罗门（Susan Solomon）教授等人在著名刊物《Science》上发表文章，向全世界报告了一个好消息：南极臭氧洞正在恢复。这被看做南极臭氧洞“治愈”之路上的第一缕曙光。
1989年起，每隔4年发布一次全球臭氧层损耗的科学评估报告。根据最新的评估，自《蒙特利尔议定书》执行以来，全球各国家和地区为减少臭氧层损耗，积极采用替代物，逐步淘汰消耗臭氧层物质（ODS）。ODS总氯浓度从1993年峰值3660ppt（干空气中每万亿个气体分子所含的该种气体分子数）已经下降了10%以上，总溴浓度也从1998年的22.0ppt下降了11%以上。
臭氧层恢复的漫漫长路
在全球共同努力下，南极臭氧恢复较为明显，极地平流层臭氧空洞进一步恢复。自2000年以来，极地平流层臭氧含量每10年增加1%至3%。根据数值模拟的预测，全球平均臭氧总量将在2050年前恢复到1980年水平，南极臭氧空洞则需到2060年前后才能恢复到1980年水平，到2100年前后南极的臭氧层将会恢复到1960年水平，那时候臭氧洞才能完全消失。
之所以臭氧层恢复如此慢，主要是因为破坏大气臭氧层元凶的ODS物质在大气中的平均寿命极其长，例如CFC-11的寿命为50年，而CFC-12的寿命达到100年，CFC-115则长达1020年，所以在今后相当长时间内它们还会继续破坏大气臭氧层，其浓度仍然远高于大气臭氧层出现明显损耗之前的水平。另外，人们应当清醒地认识到，大气臭氧层的恢复涉及大气中很多复杂的物理、化学和动力学过程，是一个复杂的科学问题，这就使得大气臭氧层的恢复过程变得十分复杂，并且带有很大的不确定性，因此，需要持之以恒加强对臭氧损耗物质的管控。
然而“病来如山倒，病去如抽丝”，臭氧层的恢复之路并不是一帆风顺，会出现各种反复，例如2015年是个例外，当年臭氧洞面积偏大，10月2日达到最大的2820万平方千米。臭氧洞的大小还受到其他不同因素的影响，例如火山喷发、厄尔尼诺现象、全球变暖和平流层大气环流的变化等。每年的9月和10月，是南极臭氧洞面积最大损耗最严重的月份。2022年10月8日，南极臭氧洞面积达到2400万平方公里，10月1日中心最低数值达到97 DU，只有正常值1/3不到，看的出来，南极臭氧损耗依然很严重。
尽管臭氧层完全恢复尚需时日，但毕竟我们已经走在了恢复之路上。研究人员利用地球系统模式的模拟分析指出，如果全球没有从上世纪80年代对ODS进行控制，那全球臭氧损耗将非常严重，北极地区的臭氧浓度也将下降至50-100 DU，远低于1960年的浓度水平（500 DU），出现严重的北极臭氧洞，地球表面的紫外线辐射强度将翻倍，皮肤癌的几率会飙升。
南极臭氧洞是人类历史上一个重大环境问题，通过保护臭氧层的工作，我们已经意识到：人和自然环境是一个有机整体。就好像鱼儿离不开水，水里也不能没有活泼的鱼儿。我们的社会发展、科技进步不应该以破坏环境作为代价，而是要坚持“和自然共同成长”的观念，保护好绿水青山，打赢一次又一次的“地球保卫战”，守卫并呵护我们赖以生存的宝贵地球家园。
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者：魏科
审核：皇甫静亮 中科院大气物理所台风专家
出品：中国科协科普部
