注：本文轉(zhuǎn)載自“含氟氣體與環(huán)境問題”公眾號(hào)。

ODS在平流層中廣泛存在的原因是它們可以通過大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)距離遷移。南極臭氧層出現(xiàn)嚴(yán)重消耗，即我們所熟知的“臭氧層空洞”，其原因在于那里特殊的氣象和化學(xué)條件。南極平流層冬季極低的溫度有助于生成極地平流層云（PSCs）。許多特殊反應(yīng)在極低平流層的表面發(fā)生，同時(shí)極低平流層大氣在極地漩渦中呈現(xiàn)出被隔離的狀態(tài)，使得春季時(shí)氯和溴的反應(yīng)大量消耗臭氧形成臭氧層空洞。

      發(fā)生在深冬和初春南極平流層臭氧層出現(xiàn)的嚴(yán)重耗損就是臭氧層空洞（見Q11）。臭氧層動(dòng)發(fā)生在南極是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐臍庀蠛突瘜W(xué)條件提高造成臭氧層耗損的鹵素氣體催化反應(yīng)的效率（見Q8）。除反應(yīng)氣體的濃度外，南極臭氧層空洞的形成需要足夠低的溫度形成極地平流層云，平流層氣體與其他區(qū)域平流層氣體隔絕和光照。

     圖Q 10?1北極和南極溫度

兩級(jí)地區(qū)平流層空氣溫度在冬季達(dá)到值。在通常狀況下南極地區(qū)在7/8月溫度為-90℃左右。在北極，12/1月份溫度接近-80℃。極地平流層云在臭氧層中形成，當(dāng)冬季溫度低于-78℃時(shí)。這種現(xiàn)象在北極發(fā)生1-2個(gè)月左右，而在南極在5-6個(gè)月份都有發(fā)生（看深紅和藍(lán)線）。發(fā)生在液體和固體平流層云顆粒上的反應(yīng)能夠產(chǎn)生ClO，它能夠消耗臭氧層。北極溫度的波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于南極。在一些年份，北極地區(qū)不能達(dá)到極地平流層云的形成溫度，因而不會(huì)產(chǎn)生明顯的臭氧層損耗。相反的是，在南極極地平流層云的形成溫度可以持續(xù)幾個(gè)月，因此每年冬季都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的臭氧層損耗。

       鹵素氣體的分布 鹵素氣體在地表排放，而且具有1年以上的大氣壽命，在南北半球平流層中的濃度相當(dāng)，盡管排放大多發(fā)生在北半球。南北半球鹵素氣體濃度相當(dāng)是因?yàn)榇蟛糠珠L(zhǎng)壽命氣體在低層大氣中沒有明顯的消除途徑，同時(shí)風(fēng)和氣流能在對(duì)流層大氣中對(duì)氣體進(jìn)行重新分配和混合，整個(gè)過程大約需要幾周至幾個(gè)月的時(shí)間。鹵素氣體（主要是原料氣和一些反應(yīng)物）主要從熱帶上部的對(duì)流層進(jìn)入平流層。然后平流層空氣流動(dòng)將這些氣體運(yùn)輸?shù)絻蓚€(gè)半球的兩級(jí)。

          南極臭氧層的非均相反應(yīng)和臭氧洞的形成

       低極地溫度 導(dǎo)致臭氧層空洞形成的臭氧層損耗需要在平流層高度較大時(shí)間范圍和地理范圍內(nèi)出現(xiàn)低溫，因?yàn)榈蜏厥切纬梢簯B(tài)和固態(tài)極地平流層云的重要因素。發(fā)生在極地平流層表面的反應(yīng)能夠顯著提高反應(yīng)活性的氧化氯的濃度（見下文和Q8）。在極地的冬天，平流層中的溫度是的。在南極冬天，最小的日均溫度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于北極（見圖Q10-1）。在冬季，南極的溫度能夠保持在極地平流層能夠形成的溫度之下。這些和其他氣象差異是由陸地、海洋和山脈在兩個(gè)半球中高維度分布差異導(dǎo)致的。在南極，整個(gè)冬天（大約5個(gè)月）的溫度都足夠低來形成極地平流層云，而在北極只有一段時(shí)期（10-60天）的溫度足夠低。

       隔絕條件 極地地區(qū)平流層氣體在冬天大部分是時(shí)間是相對(duì)孤立的。而這種孤立是由環(huán)繞極地的的風(fēng)造成，它能夠形成極地渦旋。極地渦旋能夠阻止平流層中氣體的傳輸和混合，這種作用隨著溫度的下降不斷增強(qiáng)。由于南極地區(qū)冬季的溫度要低于北極，極地渦旋對(duì)于氣體的隔絕效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于北極地區(qū)。當(dāng)溫度足夠低時(shí)，在極地渦旋中形成極地平流層云并且能夠在隔絕狀態(tài)引起化學(xué)反應(yīng)，時(shí)間可以持續(xù)幾個(gè)星期至幾個(gè)月。

        圖Q 10?2極地平流層云

這張北極極地平流層云照片是在瑞典基律納從地面拍攝的，在2000.1.27。當(dāng)溫度較低時(shí)，南北極地區(qū)平流層中會(huì)形成極地平流層云。微粒通過水和硝酸的冷凝作用不斷生長(zhǎng)。這些云通常人眼可見，當(dāng)太陽接近地平線時(shí)。PSCs表面的反應(yīng)能夠生成ClO，它能夠通過化學(xué)反應(yīng)破壞臭氧層。

       極地平流層云 發(fā)生在液態(tài)和固態(tài)極地平流層云表面的反應(yīng)能夠持續(xù)提高活性的含氯反應(yīng)氣體的豐度。這些反應(yīng)能夠使得ClONO2和HCl反應(yīng)生成活性的ClO（見圖8-1）。ClO含量從含氯氣體的一小部分增長(zhǎng)到主體成分。隨著ClO濃度上升，在光照條件下，ClO和BrO參與的催化反應(yīng)循環(huán)不斷發(fā)生，破壞臭氧層（見Q9）。

       不同類型的液態(tài)和固態(tài)極地平流層云在平流層溫度低于大約-78℃時(shí)在極地地區(qū)形成（見圖Q10-1）。結(jié)果是極地平流層云在極地冬天大范圍特定的高度出現(xiàn)，而且在南極地區(qū)形成的范圍和持續(xù)的時(shí)間都超過北極。見的極地平流層云是通過無水硝酸和水在已形成的液態(tài)含硫酸顆粒物上冷凝。在更低的溫度下（-85℃），水汽在冰粒上冷凝。極地平流層云微粒成長(zhǎng)到足夠大而且數(shù)量足夠多，這時(shí)在特定條件下可以從地面上觀察到像普通云的一些特征，尤其是當(dāng)太陽接近地平線時(shí)（見圖Q10-2）。極地平流層云經(jīng)常出現(xiàn)在極地山脈附近，因?yàn)樯矫}上空氣流動(dòng)能夠在平流層中造成局部冷卻，可以增加水和無水硝酸的冷凝作用。

       在深冬時(shí)，當(dāng)溫度開始回升，極地平流層云形成的頻率下降，而且在其表面發(fā)生的轉(zhuǎn)化作用減弱。沒有持續(xù)的ClO生成，ClO的濃度下降而且其他化學(xué)反應(yīng)重新形成儲(chǔ)庫分子，ClONO2和HCl。當(dāng)溫度回升到極地平流層云形成的臨界溫度之上時(shí)，臭氧層消耗最嚴(yán)重的時(shí)期結(jié)束。這種現(xiàn)象經(jīng)常在南極發(fā)生在一月末或者二月出，在北極發(fā)生在十月中旬。

       硝酸和水的去除 由于重力作用，極地平流層云形成之后會(huì)下落到較低的高度。當(dāng)冬季溫度比較低時(shí)，的微粒能夠在幾天內(nèi)下降幾千米或者更多。因?yàn)闃O地平流層云通常包含一定量的HNO3，微粒的下降能夠從臭氧層中去除HNO3。這個(gè)過程稱作平流層脫氮作用。因?yàn)橄跛崾瞧搅鲗又蠳Ox的重要來源，脫氮作用會(huì)較少NOx的量，而NOx能夠?qū)⒏呋钚院葰怏wClO轉(zhuǎn)化為ClONO2。因此，ClO能夠在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)保持化學(xué)活性，然后增加臭氧層耗損。明顯的脫氮作用在南極每個(gè)冬天都會(huì)發(fā)生，但是在北極只會(huì)偶爾發(fā)生，因?yàn)闃O地平流層云形成溫度必須要在一定高度和一段時(shí)間內(nèi)維持，才能夠出現(xiàn)脫氮作用（見圖Q10-1）。

       冰粒形成的溫度比無水硝酸形成極地平流層云的溫度更低。如果冰粒成長(zhǎng)到足夠大，在重力作用下會(huì)下落幾千米。結(jié)果導(dǎo)致一部分的水蒸氣在這個(gè)過程中從臭氧層中去除。這個(gè)過程稱作平流層脫水作用。因?yàn)樾纬杀Ｐ枰艿偷臏囟?，因此脫水作用在南極很常見在北極卻非常罕見。水蒸氣的去除不會(huì)直接影響到損壞臭氧層的催化反應(yīng)。脫水作用通過抑制極地平流層云形成間接影響臭氧層損耗，能夠減少在極地平流層表面生成的ClO。

       極地平流層云作用的發(fā)現(xiàn) PSCs的地面觀測(cè)在發(fā)現(xiàn)PSCs作用很多年之前已經(jīng)可以進(jìn)行。直到20世紀(jì)70年代后期使用衛(wèi)星設(shè)備觀察PSCs，PSCs在兩極地區(qū)地理和高度范圍內(nèi)的分布才被廣泛了解。在1985年發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞之后，極地平流層云所產(chǎn)生的將含氯氣體轉(zhuǎn)化為ClO的機(jī)理才被認(rèn)識(shí)清楚。我們對(duì)于PSC化學(xué)作用的理解來自于實(shí)驗(yàn)室對(duì)其表面反應(yīng)的研究、計(jì)算機(jī)模型模擬極地平流層化學(xué)和能夠直接在平流層采集微粒和含氯氣體ClO的監(jiān)測(cè)手段。