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  • 低温和极地涡旋破坏北极臭氧层

    165 0 新闻动态  |  2020-05-20 11:24

    事件:

    4月初,欧洲空间局(ESA)称,北极上空出现了25年来最大面积的臭氧层空洞。《自然》杂志称2020年北极上空臭氧含量创下历史新低,将作为一种非凡的大气现象载入史册。随着气温逐渐升高,4月中下旬,北极臭氧空洞恢复。

    本期观点:

    今年北极的臭氧空洞由超强极地涡旋造成,其作用产生的极地平流层云中的非均相化学反应释放氯原子等物质损坏臭氧层。臭氧层破坏不能忽视人为因素的作用,需要全球行动减少人为破坏来保护臭氧层。

    本期嘉宾:南京信息工程大学环境科学与工程学院教授 杨洋

                中国气象科学研究院研究员 陆龙骅

                采访人:中国气象报记者 简菊芳

          低温是破坏臭氧层的催化剂

          臭氧层位于距离地球上空10千米至50千米的大气层中,可有效阻挡来自太阳的紫外线辐射,也被称为地球保护层。如果某处臭氧层中臭氧含量减少到正常值的50%以下,科学家就称之为臭氧洞。陆龙骅进一步解释,臭氧洞是有严格科学定义的,至少应具备臭氧低值应在220DU以下、臭氧低值区范围超过百万平方千米、臭氧低值区持续时间长(2-4个月)等条件。

    以南极为例,在南极上空,冬季(8-10月)由于没有热能或热能很弱,气温稳定下降,上层大气变冷。此时,被称为极地涡旋的环极气流将南极大陆上空的冷气团围住形成涡旋,这个涡旋就像一个“绝缘体”可隔绝内部空气与外部大气。

    杨洋解释,当涡旋内气温下降到-80℃时,内部形成极地平流层云,平时不算活跃的氯原子在极地平流层云晶体表面发生非均相化学反应,释放出活性形式的氯原子,加上可见光和紫外光的推波助澜,分解出破坏臭氧的游离态氯原子,从而使该区域臭氧遭受到大幅度破坏而形成臭氧洞。同理,含溴化合物也在低温的催化下破坏臭氧层。

    臭氧层破坏需要有极地平流云的形成和非均相化学反应两个条件。也就是说,大气环流对臭氧洞的影响是动力性的,极地涡旋为南北极春季臭氧洞的形成提供了封闭的动力环境。首先极地涡旋要隔绝内外温度,使其内部气温保持在-80℃以下;其次就是极地平流层云上发生的非均相化学反应,释放出活性氯原子从而破坏臭氧层。此外,人类活动释放氟利昂、甲基溴等物质也是臭氧层破坏的一个因素,引起了国际范围的关注和行动。

          破坏臭氧物质的释放和触发

          自上世纪80年代南极臭氧洞发现以来,每年春季南极地区都会出现臭氧洞,而北极极少出现。这是因为北半球地形变化尺度大,且风场是经向的(沿着经度线移动),因此,赤道与极地的空气混合较好,这导致北极冬季气温总体上比南极高10℃左右。

          实际上,在正常情况下,北极圈内温度通常高于-80℃,不易形成极地平流层云。另外,北极的“高温”也容易破坏极地涡旋,较难催化出破坏臭氧层的活性氯原子。所以,北极的臭氧损耗虽然也比较严重,但还没有达到“臭氧洞”的程度。

    观测数据也可以佐证,春季北极臭氧总量多维持在400-500DU的高值区,只有1997年、2011年和2020年情况特殊,由于春季平流层极地涡旋中温度异常偏低,出现了北极地区大气臭氧总量的异常低值。北极臭氧损耗多发生在冬春季(12月至次年2月)温度较低的时间,其他季节不会出现臭氧空洞。

    北极臭氧损耗持续时间也取决于温度回暖的时间,一般冬季的中期北极就开始变暖,臭氧层逐渐恢复。但是2020年北极气温偏低,极地涡旋极强,导致这次北极臭氧空洞持续时间较往年偏长,直至4月下旬才恢复。

    北极臭氧损耗的现象没有南极严重,原因在于这两个极地大气环流型不同,平流层的气候不同。北半球地形大尺度变化,陆地、海洋温差大,风场是经向的,使赤道与北极的空气混合较好,从赤道富含臭氧的空气会向极地输送;北极与中纬度地区空气较好地混合,也使北极的极地涡旋不像南极那样与外部空气隔绝。南极则正相反,温度低,与赤道的空气混合弱,很难得到赤道富含臭氧空气的补给。

    虽然冷空气是北极臭氧形成的重要推手,但是,却不是直接“元凶”,它只是一剂极地平流层云形成的催化剂,而极地平流层云上发生的非均相化学反应释放出的氯原子才是直接造成臭氧消耗的“杀手”。

          减少人为破坏仍有必要

          臭氧空洞形成需要气象因素和化学反应,因此,衡量平流层臭氧的变化需要综合考虑。且极地涡旋和冷空气的强弱主要取决于地球内部震荡过程,其冷暖切换随着震荡随机切换,这是人类很难把握的自然因素。

    但是,人为破坏依然是一个重要的因素。陆龙骅表示,人类活动排放含氯和溴污染物也是极地臭氧损耗和臭氧洞形成的条件之一;在目前大气环境被污染的情况下,南极臭氧洞的变化和北极臭氧洞是否出现,取决于南、北极春季平流层极涡及其气温变化。1989年,蒙特利尔议定书生效之后,在全球行动下,南极臭氧层逐渐恢复,2019年,南极臭氧洞为自蒙特利尔议定书签订之后最小的一年。

    从化学物种上来说,当蒙特利尔议定书中受控的氟利昂和哈龙相继淘汰后,甲基溴就成为比较重要的消耗臭氧物质,这种物质一部分来自于人为排放,例如农业和生物质燃烧,一部分来自于自然源。目前,全球正在从观测角度找到部分不确定排放源,同时也在积极淘汰臭氧层破坏物质。

          杨洋表示,尽管目前科学界尚无明确证据表明气候变暖对其产生的影响,但在气候变化的大背景下,极端天气气候事件发生频次增多、强度更强,这或许也是导致极地臭氧层遭到破坏的因素之一。

        (来源:中国天气网)


 

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