圖蟲創意

1985年5月16日，著名雜志《自然》發表了由英國南極科考隊約瑟夫·法曼（Joseph Farman）和同事布萊恩·加德納（Brian Gardiner）和喬恩·尚克林（Jon Shanklin）的文章[1]，他們指出南極哈雷灣觀察站自70年代中期起即出現嚴重臭氧損耗，到80年代初，10月平均的臭氧損耗超過40%，至此，南極臭氧洞這一嚴重的環境危機走入全球視野。

當然了，這不是真正的洞，而是說其中的臭氧濃度要大幅度低于周圍，與周圍相比，像是形成了一個“洞”。一般而言，全球平均的大氣臭氧柱濃度為300多DU，在南極周圍接近400DU單位，300多DU表示如果把頭頂大氣柱中的的所有臭氧全部壓縮到海平面附近，其厚度約為3毫米多，差不多和一個硬幣的厚度差不多。而在臭氧洞發生期間，大氣的臭氧柱濃度降低到220DU以下，甚至低于100DU，不及正常值的1/3。

臭氧是由三個氧原子組成的分子，具有強大的氧化能力。臭氧的在環境中的作用被概括為“在天為佛，在地為魔”。即臭氧是好是壞取決于它所處的位置，當臭氧位于高空的平流層時是“佛”，是地球生命一把無處不在、無時不在的保護傘，形成的臭氧層能吸收絕大多數對人類有害的太陽紫外線，包括全部的短波紫外線UVC，50%以上的中波紫外線UVB，以及一部分長波紫外線UVA，大幅度減少皮膚癌和白內障的發病率，可以說如果沒有臭氧層的庇護，地球表層就完全不宜居。而當臭氧位于近地表面時，是一種重要的污染物，是光化學煙霧的重要成分，可引起呼吸道刺激，導致咳嗽、喉嚨痛、氣喘、呼吸困難等癥狀，還可以刺激眼睛，引起眼部疼痛、炎癥、瘙癢和淚水流淚。地面附近臭氧超標對植物和農作物有毒害作用，可導致葉片損傷、葉片氧化、生長受限甚至減產。

臭氧層的穩定關系著地球生命的健康，臭氧層出現損耗會使得到達地表的UV-B輻射強度明顯增加，給人類健康和生態環境帶來嚴重的危害。據分析，若平流層臭氧減少1%，全球白內障的發病率將增加0.6%~0.8%，全球每年由于白內障而失明的人將增加10000~15000人；若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發病率將增加26%，人體免疫系統機能將會減退。另外，UV-B會破壞植物的葉綠素，影響植物的光合作用，使農作物減產。因此，臭氧洞的發現引起全球轟動，迅速成為人類社會最大的環境危機之一。

科學界從上世紀70年代就明確指出，人類活動排放的氟氯碳化合物（CFCs）會對臭氧造成嚴重的損耗，這些損耗臭氧的物質（ODS物質），在近地面附近非常穩定，廣泛應用于大型中央空調、家用空調、車載空調、冰箱等制冷設備，應用于聚氨酯（PU）硬質泡沫的發泡劑、抽提劑、溶劑、干洗劑、次序劑、氣溶殺蟲藥發射劑等。但是當其釋放進入大氣之后，在平流層經過紫外線照射，釋放出自由的Cl粒子，可以作為催化劑破壞臭氧層，據估計，一個Cl離子可以破壞10萬個臭氧分子。發現臭氧損耗機理的保羅·克魯岑（Paul Crutzen）、舍伍德·羅蘭（F. Sherwood Rowland）和馬里奧·莫利納（Mario J. Molina）也因此獲得了1995年的諾貝爾化學獎[2, 3]。

為了保護臭氧層，國際社會1985年通過了《保護臭氧層維也納公約》、1987年通過了《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，在全球范圍內限制生產、銷售和使用8種對臭氧層有嚴重破壞作用的物質，其中包括五種氟氯碳化物（即氟利昂）和三種哈龍類物質。按照《蒙特利爾議定書》的要求，發達國家需要在1998年前減少一半的氟氯碳化物，而發展中國家需要到2005年減少一半的氟氯碳化物。

《蒙特利爾議定書》在通過之后，為了加快進程、納入更多發展中國家和擴大禁止化合物種類等，先后通過了《倫敦修正案》（1990年6月）、《哥本哈根修正案》（1992年11月）、《維也納調整案》（1995年12月）、《蒙特利爾修正案》（1997年）、《北京修正案》（1999年11月）、《基加利修正案》（2016年）等，最終要求發達國家在1996年前100%停止使用氟氯碳化物，在1994年前100%停止使用哈龍，要求發展中國家在2010年前完全停止使用氟氯碳化物和哈龍。

由于《蒙特利爾議定書》采用“共同但有區別的責任”，對發展中國家和發達國家分情況對待，發達國家率先行動，并為發展中國家提供資金和技術支持，增強發展中國家能力，從而最終實現共同行動。這個創舉使得的《蒙特利爾議定書》成為第一個規定發達國家和發展中國家承擔不同義務的國家環境公約，也使得《蒙特利爾議定書》成為有史以來全球所有國家取得完全一致的協定。前任聯合國秘書長科菲·安南先生盛贊《蒙特利爾議定書》為“迄今為止唯一最成功的國際協議”。

自1987年《蒙特利爾議定書》通過以來，全球已淘汰了超過99%的受控ODS物質的生產和消費。這包括約135萬噸的CFCs、哈龍等物質，臭氧損耗物質在大氣中的濃度顯著下降。我國是《保護臭氧層維也納公約》、《蒙特利爾議定書》及修正案的締約國，積極參與了全球對臭氧危機的“補天”行動。值得注意的是，我國科學家看得更遠，例如，唐孝炎院士1993年擔任聯合國環境規劃署臭氧層損耗環境影響評估組共同主席，并努力推動將治理臭氧損耗和應對全球變暖結合起來。2007年7月1日，我國宣布已經全面停止全氯氟烴和哈龍兩類物質的生產和進口，提前二年半實現議定書規定的目標。

1989年起，每隔4年發布一次全球臭氧層損耗的科學評估報告。根據最新的評估[4]，自《蒙特利爾議定書》執行以來，全球各國家和地區為減少臭氧層損耗，積極采用替代物，逐步淘汰消耗臭氧層物質（ODS）。ODS總氯濃度從1993年峰值3660ppt（干空氣中每萬億個氣體分子所含的該種氣體分子數）已經下降了11%以上，總溴濃度也從1999年的峰值22.1ppt下降了15%以上。
從2000年開始，隨著人類對臭氧層破壞的減輕，大氣層的自我修復功能開始發揮作用，臭氧層空洞不斷增大的狀況開始停止惡化，進入觸底反彈階段。2016年6月30日，美國麻省理工學院地球、大氣和行星科學系著名大氣化學家與氣候學家蘇珊·所羅門（Susan Solomon）教授等人在著名刊物《Science》上發表文章[5]，向全世界報告了一個好消息：南極臭氧洞正在恢復。這被看做南極臭氧洞“治愈”之路上的第一縷曙光。
南極臭氧恢復較為明顯，極地平流層臭氧空洞進一步恢復。自2000年以來，極地平流層臭氧含量每10年增加1%至3%。根據數值模擬的預測[4]，全球平均臭氧總量將在2045年前后恢復到1980年水平，南極臭氧空洞則需到2060年前后才能恢復到1980年水平，到2100年前后南極的臭氧層將會恢復到1960年水平，那時候臭氧洞才能完全消失。

之所以臭氧層恢復如此慢，主要是因為破壞大氣臭氧層元兇的ODS物質在大氣中的平均壽命極其長，例如CFC-11的壽命為50年，而CFC-12的壽命達到100年，CFC-115則長達1020年，其濃度仍然遠高于大氣臭氧層出現明顯損耗之前的水平，所以在今后相當長時間內它們還會繼續破壞大氣臭氧層。

人們應當清醒地認識到，大氣臭氧層的恢復涉及大氣中很多復雜的物理、化學和動力學過程，是一個復雜的科學問題，這就使得大氣臭氧層的恢復過程變得十分復雜，并且帶有很大的不確定性，因此，需要持之以恒加強對臭氧損耗物質的管控。

“病來如山倒，病去如抽絲”，臭氧層的恢復之路并不是一帆風順，會出現各種反復，例如2015年是個例外，當年臭氧洞面積偏大，10月2日達到最大的2820萬平方千米。臭氧洞的大小還受到其他不同因素的影響，例如火山噴發、厄爾尼諾現象、全球變暖和平流層大氣環流的變化等。每年的9月和10月，是南極臭氧洞面積最大損耗最嚴重的月份。根據NASA的數據，2024年9月28日，南極臭氧洞面積達到2200萬平方公里，10月5日中心最低數值達到107 DU，只有正常值1/3不到，看的出來，南極臭氧損耗依然很嚴重。

盡管臭氧層完全恢復尚需時日，但畢竟我們已經走在了恢復之路上，研究人員利用地球系統模式的模擬分析指出，如果全球沒有從上世紀80年代對ODS進行控制，那全球臭氧損耗將非常嚴重，2065年的臭氧濃度將現在現今低67%，北極地區的臭氧濃度也將下降至50-100 DU，遠低于1960年的濃度水平（500 DU），出現嚴重的北極臭氧洞，地球表面的紫外線輻射強度將翻倍，皮膚癌的幾率會飆升[6, 7]。

南極臭氧洞是人類歷史上一個重大環境問題，通過保護臭氧層的工作，我們已經意識到：人和自然環境是一個有機整體。就好像魚兒離不開水，水里也不能沒有活潑的魚兒。我們的社會發展、科技進步不應該以破壞環境作為代價，而是要堅持“和自然共同成長”的觀念，保護好綠水青山，打贏一次又一次的“地球保衛戰”，守衛并呵護我們賴以生存的寶貴地球家園。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：魏科 中國科學院大氣研究所 研究員

審核：戴云偉 中國氣象局 高級工程師

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 創作培育計劃

內容資源由項目單位提供