南極上空的臭氧層空洞（Ozone depletion ）曾引起社會層面的廣泛關注。但在近幾年，關於臭氧層空洞的訊息卻很少提起。是人類在災害面前已經麻木了嗎？當然不是，在今年1月9日，世界氣象組織（WMO）及聯合國環境署（UNEP）向我們生動地詮釋了什麼叫「悶聲發大財」，他們發佈了一則令人振奮的好訊息

預計南極的TCO（總臭氧柱）將在2066年左右恢復至1980年的水平，北極的TCO則將在2045左右年恢復至1980年的水平，接近全球平均水平（60°N~60°S）將在2040年左右恢復到1980年的水平。

這就彷彿是臭氧層空洞在說：「我要悄悄縮小，然後驚豔所有人。」

1979-2019年最大臭氧空洞範圍變化

這是一個歷史性的時刻，人類，即將通過全球性的努力，首次解決這一事關人類文明存續的重大氣候危機。

臭氧層是什麼？臭氧層空洞為什麼如此重要？人類是如何修復臭氧層空洞的？這樣以往我們僅僅是知道但不了解的問題，今天都一次性講清楚。

1960-2100年臭氧空洞變化

Part.1

臭氧層是什麼？

地球的大氣層厚度極大，共計幾千千米，由下至上可以簡單分為對流層 (0~10/20km)、平流層 (10/20~50km)、中間層 (50~85km)、熱成層 (85~800km) 及散逸層 (800~3000km) 。

對流層是最接近地表的大氣部分，幾乎包含了整個生物圈，是我們人類、其他生物生存的環境；同時，它也是密度最大的大氣圈層，其總質量約佔大氣總質量的75%。對流層的溫度主要來自於地表，呈現下熱上冷的局面，上下對流運動非常活躍，因此得名對流層。

平流層從地球表面上方約10-15公里（km）開始，一直延伸到約50公里的高度。與對流層不一樣的是，平流層下冷上熱，因此這一層的空氣流動十分穩定。平流層的平流特點使它十分適合飛機運行，因此大部分民航飛機的平飛階段都在平流層底部。

造成平流層如此性質的原因，便和我們文章的主角——臭氧層有關。大多數臭氧（約90%）存在於平流層中，臭氧濃度最高的區域，海拔約15至35公里，通常被稱為「臭氧層」。臭氧層能夠吸收了大部分紫外線帶來的熱量，對平流層上部進行加熱，因此造成了平流層的出現。

至於中間層、熱成層以及散逸層，其距離我們人類太過遙遠，在科學研究中已經成為空間科學的研究範疇，本文暫且不表。

臭氧層是指平流層中臭氧濃度較高的層次，其濃度峰值出現在20~25km左右的高度。臭氧層雖然稱之為層，但是其丰度仍然比較低，即使在臭氧層濃度最高的區域，每十億個空氣分子也只有幾千個臭氧分子。如果我們把大氣中所有臭氧分子帶到地球表面，並形成一層覆蓋整個地球的純臭氧層，所得層的平均厚度約為3毫米。

但就是這薄薄的3毫米，卻在保護地球上的生命方面起著至關重要的作用。

大氣中的臭氧

Part.2

臭氧層的作用

臭氧分子的結構使它對紫外線有極強的吸收能力，可以將絕大多數紫外線光子的能量轉化為熱能耗散：

這個特性，使得大多數對生物有害的紫外線被臭氧層攔下，巨大的能量轉化為同溫層以上加熱的基礎熱能，使得平流層能穩定地承載飛機飛行，更為地表生物和天氣系統的正常運轉打下了根基。

同時，紫外線也是臭氧層產生的主要原因；在平流層頂的氧氣會在短波紫外線（UVC）的作用下形成臭氧：

平流層臭氧生產的過程

另外，某些自然活動又會消耗臭氧；如火山活動等。2022年1月爆發的湯加火山就在一週之內造成了西南太平洋和印度洋上空的平流層臭氧總量減少了5%；今年9月16日，歐洲空間局的監測資料顯示，南極臭氧空洞的面積達到了2600萬平方千米，接近歷史最大記錄。

長此以往，不同的自然活動及大氣化學作用使得大氣中的臭氧濃度始終維持在一個相對穩定的區間內，但最近的幾十年裡，情況似乎發生了變化……

Part.3

臭氧層的危機

20世紀初期，藉助於卡諾循環原理，人們發現了一種有效的製冷方法，即通過壓縮和液化氣體，然後依靠氣體的蒸發吸收熱量。

然而，在早期的製冷設備中，多數採用了廉價且容易液化的氣體，如二氧化硫（SO₂）或氨氣（NH₃）。舉例來說，SO₂可以在-10℃或2.5個大氣壓下液化，而NH₃則在-33℃或9個大氣壓下液化。

製冷設備為人們的生活帶來了舒適與便利，但也埋下了災難的種子……

SO₂和NH₃都是刺激性極強且有一定毒性的氣體。1929年，美國俄亥俄州的一家醫院所使用的大型冰箱發生了嚴重的氨氣洩漏事故，造成100餘人死亡。

慘痛的教訓迫使人們積極尋找這些有毒氣體的替代品，很快，人們發現了一種非常「出色」的替代品。

經過對元素的研究，美國發明家托馬斯·米利奇找到了一種物質：二氟二氯甲烷（CF₂Cl₂），這是一種沸點-29.8℃的無色、無毒、無腐蝕且無刺激性氣味的氣體，且該氣體不含H元素，無法燃燒，被認為是一種幾乎「完美」的製冷劑。1931年，美國杜邦公司開始大規模工業生產這種化合物，商品名為「氟利昂（Freon）」（在如今的編號體系內，該化合物為R12）而氟利昂以其穩定、安全、高效的優勢在問世後的短短十餘年間幾乎取代了之前所有的製冷劑，風靡於千家萬戶。然而也正是這種被認為幾近「完美」給地球劃出了巨大的疤痕……

1924年，臭氧光譜儀問世，人類開始了對大氣中臭氧含量的定期觀測,在這段時間內，在英國氣象學家戈登·多布森的領導下，美國、埃及、印度、蘇聯、紐西蘭、斯匹次卑爾根群島（北極）相繼建立了臭氧濃度的觀測點，拉開了人類對臭氧層研究的序幕。

二戰後不久的1957年，英國皇家學會的科考隊在南極的布倫特冰架上建設了哈雷科考站，對南極地區的大氣進行了長期觀測。

1974年，美國科學家馬里奧·莫利納與舍伍德·羅蘭提出：氯氟烴在環境中的含量正在穩步提升，其在平流層中光解產生的大量氯原子可破壞大氣臭氧層；這一過程的原理如下：

顯然，這個反應過程中的氯自由基是催化劑，它可以以極高的效率破壞大氣臭氧層並在大氣層中持續作用數十年的時間，總反應大致如下：

（注：溴代烴也有類似的反應，大致如下：

雖然與氯催化過程長得基本一樣，但是其總反應為：

可見溴和氯雖然長得差不多，但還是有一定的區別的，二者的催化反應本質上有區別）

臭氧破壞循環

他們提到，若氯氟烴按當時10%的年增長率繼續生產，大氣中的臭氧含量將在20年的時間內減少5~7%，於75年的時間內將減少30~50%。

上面所說的「二氟二氯甲烷」正是氟氯烴的一種；需要注意的是，對臭氧層有破壞的物質不止氟氯烴，還包括哈龍類物質如二氟二氯一溴甲烷、三氟一溴甲烷等及一些其他物質。

70年代，全美的氯氟烴產業價值超過80億美元，直接或間接地供給了140萬的勞動崗位，因此，政府與化工巨頭並不在意這一研究成果。減少或禁用氯氟烴的計劃受到巨大阻撓，無法推行……

十年後的1985年，英國南極調查局的科學家搞出了一個令人驚歎的大發現。

他們分析了1956年以來哈雷科考站的大量臭氧觀測資料發現：1977至1984年間，南極洲哈雷灣大氣中的春季（9~11月）臭氧含量減少了40%以上。這項研究很快得到了科學界的證實，經過研究後人們發現：高空大氣的臭氧消耗更為恐怖，南極大陸的上空存在著一個巨大的「臭氧層空洞」……

這一遠超十年前研究的實測資料震撼了世界，證實了氯氟烴對臭氧層具有巨大的殺傷力；一時間，大氣臭氧化學和動力學成為了研究熱潮，無數的理論與觀測證明了這一恐怖的現狀，社會對氯氟烴等物質的態度驟然轉變。

Part.4

救贖——「女媧補天」行動

隨著國際社會認識到臭氧層危機的迫在眉睫，這場災難終於迎來了轉機。1985年的3月22日，國際社會共同簽署了《保護臭氧層維也納公約》，宣告了一場挽救地球的壯麗計劃。兩年後，1987年的9月16日，位於蒙特利爾的會議上，《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》面世，全球掀起了一場偉大的「補天行動」。

這兩份歷史性檔案，宣誓要強化對消耗臭氧層物質（ODS）的管控。締約國名單上匯聚了世界主要工業國，如美國、蘇聯、德國等。中國也於1989年和1991年分別加入這兩個公約，站在了這一保衛戰的前線。

這些協議的推動下，不僅工業化國家改革了其製冷系統，還促使發展中國家採用更環保的技術。曾經在製冷、滅火和清洗領域廣泛使用的有害物質逐漸退出市場。

現在，我們可以欣慰地說，過去那些曾經危害臭氧層的物質，如R12等製冷劑，1211、1301等滅火劑，甚至高中時期熟悉的四氯化碳（CCl₄），都已經不再製造和使用，它們被替代為更環保的製冷劑和滅火劑，如R134a（CH₂FCF₃）、R32（CH₂F₂）、HFC-227ea（C₃F₇H）以及Novec 1230（C₆F₁₂O）等。這些新材料基本上沒有對臭氧層造成破壞。

這段歷史告訴我們，當人們團結一致，為了共同的目標而努力，我們有能力克服環境挑戰，保護我們的星球，並創造更可持續的未來。它也提醒我們，我們每個人都有責任繼續致力於保護我們的環境，以確保我們的星球得以永續發展。

Part.5

臭氧層空洞對氣候的影響

眾所周知臭氧層的功能主要在於阻擋來自太陽和宇宙的高能紫外輻射，為地球生命提供低紫外的良好環境,這些大家多多少少都有所了解， 但…難道臭氧層的作用僅限於此嗎？

隨著大氣科學的逐步發展，人類逐漸認識到臭氧層更深層次的影響，更準確地說，是平流層化學組成對氣候產生的影響。

儘管全球變暖不斷加劇，但實際上不是地球上的任何一處都在升溫。正如前文所提臭氧層主要存在於20~50km高度的平流層中。然而，令人矚目的是；1960至2020年間，這裡的溫度在以每十年約0.6℃的速度緩慢下降。

臭氧在大氣中的作用是幫助維持大氣的溫度平衡，但如果它減少了，就會影響大氣的運動方式，尤其是在南極地區，可能對地球的氣候和氣候模式產生重要的影響。

當太陽放出的紫外線輻射進入大氣層時，臭氧將這些高能量的輻射轉化為熱量。這有助於保護大氣層，防止過多的紫外線照射到地球表面，以防過多的紫外線對生物和環境有害。故而，如果臭氧減少，就會導致大氣中的平流層（一部分大氣）無法吸收足夠的熱量，從而導致大氣溫度會下降。這個情況在南極地區尤為顯著，也就是地球的南極地區。

同時，地球的南極和赤道地區之間存在顯著的溫度差異。赤道地區通常較熱，而南極則較冷。這導致高空的空氣流向南極地區，由於地球自轉和科里奧利力的作用，這些氣流形成了圍繞地球的西風帶，也就是高空的氣流以西向東方向流動的地區。

西風帶不光存在於對流層，更存在於平流層。它的存在，使得南極平流層與其他地區間的空氣流動被大幅度削弱；隨著ODS通過各種途徑不斷進入南極，消耗的臭氧得不到補充，南極上空就形成了「臭氧空洞」。

隨著南極上空臭氧空洞的不斷擴大，這一區域平流層的溫度逐漸下降，使得南極高空與赤道高空的溫差加大，環南極西風帶和極地漩渦就會被加強，這種變化會通過極為複雜的氣象學原理在約半個月的時間內影響到對流層，使對流層的環南極西風帶隨之加強；那麼這會產生什麼影響呢？

風的能量是會影響海水的流動的。強大的西風帶會加速南極繞極流的流動速度，同時通過更強的埃克曼輸送，使得大量的極地表層海水向北方輸送，使得極地下層的溫暖海水向上運動，對南冰洋表層加溫，使南極海冰減少。

同時我們需要知道，平流層攔不住的紫外輻射的能量並非憑空消失，它們衝向地表、加熱了對流層，進一步地影響著我們的天氣系統和大氣流動。

但是，臭氧層空洞的影響只是影響大氣系統及海洋系統的諸多因素中的一個，且侷限於理論而難以證明。比如，2010至2015年間，南極地區的海冰反而從約250萬平方公里增長到了約360萬平方公里，在去年還暴跌到了192萬平方公里。

目前，我們還無法對天氣系統進行精準的模擬，所以還無法對臭氧層空洞產生的影響進行證實，但是這場戰爭，我們終於看到了勝利的曙光。

根據美國氣象學家安塔拉·班納吉等人的研究，可以確認，上面的兩個公約的有效落實，讓南極臭氧空洞引發的大氣環流變化至今已基本停止，因臭氧層損耗而引起的大氣變化也將逐步恢復。

團結，延續著文明的火種，可以這麼說，臭氧層問題的解決並不是神明、救世主所為，而是我們每一個人都成為了補天的「女媧」，是為了以前的失誤而贖罪，為了與自然和諧共生而改變。望人類在遙遠的將來能戰勝危險，與自然友好相處，團結一致，永續文明。

來源：石頭科普工作室