2020年国际臭氧层保护日:臭氧层的作用、破坏原因、破坏的危害
9月16日，国际臭氧层保护日。
臭氧层正在“愈合”。
今天（9月16日）是第26个国际臭氧层保护日。
不知道大家有没有感觉到，曾经倍受关注的有关南极上空的臭氧层空洞问题，近几年很少再听人们提及。取而代之的是，雾霾肆虐、垃圾围城、土壤污染、淡水短缺等环境问题充斥在各大社交媒体。
那么，我们的臭氧层现在到底怎么样了呢？“破洞”已经补起来了吗？
臭氧层让生命有可能存在
先来说说臭氧层。
大气中的氧气吸收太阳光的紫外线获得高能，分解成两个氧原子，每个氧原子再和没有分解的氧气合并，就形成了含有三个氧原子的臭氧。臭氧“气如其名”，有一股难闻的鱼腥味。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气和氧原子，臭氧变成“不臭”的氧，“不臭”的氧又结合成臭氧，循环往复，就产生了臭氧层。
▲臭氧形成过程。图/视觉中国
一般来说，沿地球表面垂直向上，地球的大气层分为：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。臭氧层就位于距离地表15-35千米（也有说20~26千米）高的平流层，这里集齐了地球约90%的臭氧。如果将这层臭氧单独分离，在绝对温度273K和1个大气压下，可构成一个0.29厘米厚的纯臭氧气层。
▲地球大气层垂直向上依次分布：对流层（Troposphere）、平流层（Stratosphere）、中间层（Mesosphere）、热层（Thermosphere）和散逸层（Exosphere）。
臭氧层为啥这么重要呢？
臭氧层能吸收太阳光中一部分的中短波紫外线（UV-B，波长280-315纳米）和全部的短波紫外线（UV-C，波长200-280纳米）。对于人类而言，过多UV-B辐射暴露将增加患皮肤癌、白内障和免疫系统抑制的风险。对于生态系统而言，过量UV-B辐射会破坏生态系统的平衡。
▲臭氧层能吸收一部分UV-B和全部的UV-C。图/NASA
臭氧层就相当于在地球外面涂的一层“防晒霜“，可别小看这层“防晒霜”，它与生命的进化都息息相关。
46亿年前，地球刚刚诞生，地球大气层中没有氧气，更没有臭氧，含有高能紫外线的阳光直达地球表面，地球上没有任何生命。在地球诞生5亿年后，地球上才开始出现了最简单的生物——细菌。此后，生物不断繁衍发展，但早期生物只能依靠水层的保护，深藏于海、湖水面之下，很难走向陆地。
▲寒武纪的地球，虽然水下生机勃勃，但地面上却是一片荒凉。图/《中国国家地理少儿百科：地球》
直到6亿年前，随着大气中氧气的逐渐增加，复杂的光化学反应的不断发生，大气中臭氧浓度达到了现今的10%左右，依靠臭氧对紫外线吸收的不断增强，生物才开始能够大规模地由海洋向陆地发展，高等生物乃至人类才得以出现。
▲登上陆地的提塔利克鱼的生活重建图。图/Wikipedia
尽管如此，臭氧也不是完美的，也会有“坏的”臭氧，比如低空臭氧，这种低空臭氧大致出现在距地表约2.5千米以内的近地层中。
这些“坏的”臭氧就像“隐形杀手”，没有明显的颜色或强烈的气味。一旦空气中的臭氧浓度超过一定指标，人类会引起胸痛、咽喉刺激、咳嗽以及影响心脏和肺部相关的健康状况。另外，高浓度臭氧会降低作物产量。
臭氧层空洞为什么都在南极？
臭氧层真的会破成一个“洞”吗？
其实，臭氧层“空洞”并不真的是一个洞，而是一个臭氧分子极其稀薄的区域。那么这个“空洞“是怎么形成的呢？
人类活动会产生消耗臭氧层物质，例如氟氯烃、哈龙和甲基溴等，对臭氧层有显著的破坏作用。在紫外线辐射下，含氯和含溴气体会转换为含氯原子和溴原子的更活泼的气体（也称为活性含卤气体），包括氧化氯和氧化溴，会严重损耗臭氧。
▲含氯气体会严重损耗臭氧。图/NASA
消耗臭氧层物质中含氯或溴原子越多，在大气中的寿命越长，对平流层臭氧的破坏就越强。消耗臭氧层物质无处不在，包括冰箱、空调、电子产品、灭火器材、烟草、泡沫塑料、发胶以及杀虫剂等产品的生产或使用过程。
▲如果人们不采取任何措施，预测在2065年时，地球的臭氧层的厚度如右侧的图所示。图/NASA
为什么我们听说的臭氧层空洞总是出现在南极，而不是北极或者其他地方呢？原因就在于特殊的气象条件和化学条件。
首先是消耗臭氧层物质的储备。人类活动产生的消耗臭氧层物质会随着大气运动进行长距离迁移，飘着飘着就占据了整个平流层。
其次是低温。臭氧层空洞的形成需要足够低的温度，形成极地平流层云，平流层气体就会与其他区域平流层气体隔绝。发生在极地平流层云表面的反应，能够显著提高氧化氯的浓度，加速对平流层臭氧的损耗。
▲南极的气候异常寒冷，图为南极半岛勒梅尔海峡的浮冰和上空的柱状云。图/SteveAllen
南极就有这个“优势”。南极的冬天最小的日均温度通常远远低于北极，能够保持在极地平流层能够形成的温度之下。
另外，环绕极地的极强的风可以形成极地涡旋，极地涡旋能够阻止平流层中气体的传输和混合，从而催化破坏臭氧的反应。当南极臭氧层在一个隔绝的状态下不断被损耗，就会出现臭氧层空洞。
▲图中的白色箭头是包围着南极大陆的盛行西风带，这里常年盛行着8级大风，卷起超过7米的大浪。图/Wikipedia
从全球来看，臭氧损耗程度随纬度的变化呈现出很大的差异，其中南极地区臭氧损耗最为严重，然后依次是北极地区、中纬度地区，热带地区臭氧总量损耗非常小。
▲1957到2001年，南极臭氧层空洞的变化。图/Wikipedia
当然，例外也会存在。2020年3月份，北极出现了极端异常的极地涡旋，就出现了北极有史以来面积最大的臭氧空洞，面积大约相当于3个格陵兰岛。但是，过了一个月之后，这个空洞又关闭了！
▲2020年三月北极的臭氧层空洞。图/NASA
臭氧层空洞可以修复吗？
神话小说中，天塌之后还有女娲补天。那么，臭氧层空洞可以“修补”吗？
早在1987年，为了阻止人类活动破坏臭氧层，多个国家在加拿大蒙特利尔签订了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。而现在，联合国承认的197个主权国家全部成为议定书的缔约方。
▲2016年，美国国务卿克里就《蒙特利尔议定书》的修订发言。此次修改要求停止氢氟烃的生产和使用，这一行为将有助于避免到本世纪末全球温度升高0.5摄氏度，并减少上千亿吨的二氧化碳排放。此次修改最终获得通过。图/Wikimedia
该公约要求197个缔约方按照商定的时间表，尽可能完全取缔近100种具有臭氧消耗潜能的化学品的生产和消费。
效果是明显的！就南极臭氧层空洞而言，自1982年开始监测以来，南极臭氧层空洞的面积不断增加，2006年臭氧层空洞的面积达到最大值2700万平方千米。此后这个数值有所下降，并稳定在2300万平方千米左右。2019年10月，受极端异常天气影响，南极上空的臭氧空洞的面积仅1000万平方千米，为历年最小。
▲保护臭氧层，保护我们自己。图/图虫·创意
研究表明，如果全世界都能遵循《蒙特利尔议定书》的规定，在未来数十年间，随着平流层中消耗臭氧层物质和活性含卤气体的减少，由于消耗臭氧层物质导致的臭氧层损耗大概会在21世纪中期恢复。
▲臭氧层修复状况预测。图/Wikimedia
除消耗臭氧层物质外，气候变化也会对未来臭氧含量带来重要影响。但是气候变化的影响在热带、中纬度和极地地区会出现差异，而这种差异在很大程度上取决于未来的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的排放。
▲ 经过人类的努力，许多工厂已实现了污染零排放。图/图虫·创意
不同地区的臭氧总量恢复的时间不太一样。
相关模型预测，如果以1980年臭氧总量水平为标准，南极地区会在21世纪中叶恢复；北极地区会在2020-2035年恢复，并且会继续上升直至21世纪末。热带地区的臭氧总量会在2040年缓慢恢复，在2060年左右达到峰值，此后又逐渐下降直至21世纪末。
希望还是有的。
前提是，全世界都能遵循规定。
参考资料：
肖学智《地球的保护伞（臭氧层）：臭氧层基础知识和国际公约相关知识问答》，中国环境出版社，2016.6