Q10 为什么臭氧层空洞出现在南极上空？
注：本文转载自“含氟气体与环境问题”公众号。
ods在平流层中广泛存在的原因是它们可以通过大气运动进行长距离迁移。南极臭氧层出现严重消耗，即我们所熟知的“臭氧层空洞”，其原因在于那里特殊的气象和化学条件。南极平流层冬季极低的温度有助于生成极地平流层云（pscs）。许多特殊反应在极低平流层的表面发生，同时极低平流层大气在极地漩涡中呈现出被隔离的状态，使得春季时氯和溴的反应大量消耗臭氧形成臭氧层空洞。
发生在深冬和初春南极平流层臭氧层出现的严重耗损就是臭氧层空洞（见q11）。臭氧层动发生在南极是因为当地的气象和化学条件提高造成臭氧层耗损的卤素气体催化反应的效率（见q8）。除反应气体的浓度外，南极臭氧层空洞的形成需要足够低的温度形成极地平流层云，平流层气体与其他区域平流层气体隔绝和光照。
图q 10‑1北极和南极温度
两级地区平流层空气温度在冬季达到值。在通常状况下南极地区在7/8月温度为-90℃左右。在北极，12/1月份温度接近-80℃。极地平流层云在臭氧层中形成，当冬季温度低于-78℃时。这种现象在北极发生1-2个月左右，而在南极在5-6个月份都有发生（看深红和蓝线）。发生在液体和固体平流层云颗粒上的反应能够产生clo，它能够消耗臭氧层。北极温度的波动远远大于南极。在一些年份，北极地区不能达到极地平流层云的形成温度，因而不会产生明显的臭氧层损耗。相反的是，在南极极地平流层云的形成温度可以持续几个月，因此每年冬季都会发生严重的臭氧层损耗。
卤素气体的分布 卤素气体在地表排放，而且具有1年以上的大气寿命，在南北半球平流层中的浓度相当，尽管排放大多发生在北半球。南北半球卤素气体浓度相当是因为大部分长寿命气体在低层大气中没有明显的消除途径，同时风和气流能在对流层大气中对气体进行重新分配和混合，整个过程大约需要几周至几个月的时间。卤素气体（主要是原料气和一些反应物）主要从热带上部的对流层进入平流层。然后平流层空气流动将这些气体运输到两个半球的两级。
南极臭氧层的非均相反应和臭氧洞的形成
低极地温度 导致臭氧层空洞形成的臭氧层损耗需要在平流层高度较大时间范围和地理范围内出现低温，因为低温是形成液态和固态极地平流层云的重要因素。发生在极地平流层表面的反应能够显著提高反应活性的氧化氯的浓度（见下文和q8）。在极地的冬天，平流层中的温度是的。在南极冬天，最小的日均温度通常远远低于北极（见图q10-1）。在冬季，南极的温度能够保持在极地平流层能够形成的温度之下。这些和其他气象差异是由陆地、海洋和山脉在两个半球中高维度分布差异导致的。在南极，整个冬天（大约5个月）的温度都足够低来形成极地平流层云，而在北极只有一段时期（10-60天）的温度足够低。
隔绝条件 极地地区平流层气体在冬天大部分是时间是相对孤立的。而这种孤立是由环绕极地的的风造成，它能够形成极地涡旋。极地涡旋能够阻止平流层中气体的传输和混合，这种作用随着温度的下降不断增强。由于南极地区冬季的温度要低于北极，极地涡旋对于气体的隔绝效果远远强于北极地区。当温度足够低时，在极地涡旋中形成极地平流层云并且能够在隔绝状态引起化学反应，时间可以持续几个星期至几个月。
图q 10‑2极地平流层云
这张北极极地平流层云照片是在瑞典基律纳从地面拍摄的，在2000.1.27。当温度较低时，南北极地区平流层中会形成极地平流层云。微粒通过水和硝酸的冷凝作用不断生长。这些云通常人眼可见，当太阳接近地平线时。pscs表面的反应能够生成clo，它能够通过化学反应破坏臭氧层。
极地平流层云 发生在液态和固态极地平流层云表面的反应能够持续提高活性的含氯反应气体的丰度。这些反应能够使得clono2和hcl反应生成活性的clo（见图8-1）。clo含量从含氯气体的一小部分增长到主体成分。随着clo浓度上升，在光照条件下，clo和bro参与的催化反应循环不断发生，破坏臭氧层（见q9）。
不同类型的液态和固态极地平流层云在平流层温度低于大约-78℃时在极地地区形成（见图q10-1）。结果是极地平流层云在极地冬天大范围特定的高度出现，而且在南极地区形成的范围和持续的时间都超过北极。见的极地平流层云是通过无水硝酸和水在已形成的液态含硫酸颗粒物上冷凝。在更低的温度下（-85℃），水汽在冰粒上冷凝。极地平流层云微粒成长到足够大而且数量足够多，这时在特定条件下可以从地面上观察到像普通云的一些特征，尤其是当太阳接近地平线时（见图q10-2）。极地平流层云经常出现在极地山脉附近，因为山脉上空气流动能够在平流层中造成局部冷却，可以增加水和无水硝酸的冷凝作用。
在深冬时，当温度开始回升，极地平流层云形成的频率下降，而且在其表面发生的转化作用减弱。没有持续的clo生成，clo的浓度下降而且其他化学反应重新形成储库分子，clono2和hcl。当温度回升到极地平流层云形成的临界温度之上时，臭氧层消耗最严重的时期结束。这种现象经常在南极发生在一月末或者二月出，在北极发生在十月中旬。
硝酸和水的去除 由于重力作用，极地平流层云形成之后会下落到较低的高度。当冬季温度比较低时，的微粒能够在几天内下降几千米或者更多。因为极地平流层云通常包含一定量的hno3，微粒的下降能够从臭氧层中去除hno3。这个过程称作平流层脱氮作用。因为硝酸是平流层中nox的重要来源，脱氮作用会较少nox的量，而nox能够将高活性含氯气体clo转化为clono2。因此，clo能够在很长一段时间内保持化学活性，然后增加臭氧层耗损。明显的脱氮作用在南极每个冬天都会发生，但是在北极只会偶尔发生，因为极地平流层云形成温度必须要在一定高度和一段时间内维持，才能够出现脱氮作用（见图q10-1）。
冰粒形成的温度比无水硝酸形成极地平流层云的温度更低。如果冰粒成长到足够大，在重力作用下会下落几千米。结果导致一部分的水蒸气在这个过程中从臭氧层中去除。这个过程称作平流层脱水作用。因为形成冰粒需要很低的温度，因此脱水作用在南极很常见在北极却非常罕见。水蒸气的去除不会直接影响到损坏臭氧层的催化反应。脱水作用通过抑制极地平流层云形成间接影响臭氧层损耗，能够减少在极地平流层表面生成的clo。
极地平流层云作用的发现 pscs的地面观测在发现pscs作用很多年之前已经可以进行。直到20世纪70年代后期使用卫星设备观察pscs，pscs在两极地区地理和高度范围内的分布才被广泛了解。在1985年发现臭氧层空洞之后，极地平流层云所产生的将含氯气体转化为clo的机理才被认识清楚。我们对于psc化学作用的理解来自于实验室对其表面反应的研究、计算机模型模拟极地平流层化学和能够直接在平流层采集微粒和含氯气体clo的监测手段。
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两级地区平流层空气温度在冬季达到值。在通常状况下南极地区在7/8月温度为-90℃左右。在北极，12/1月份温度接近-80℃。极地平流层云在臭氧层中形成，当冬季温度低于-78℃时。这种现象在北极发生1-2个月左右，而在南极在5-6个月份都有发生（看深红和蓝线）。发生在液体和固体平流层云颗粒上的反应能够产生clo，它能够消耗臭氧层。北极温度的波动远远大于南极。在一些年份，北极地区不能达到极地平流层云的形成温度，因而不会产生明显的臭氧层损耗。相反的是，在南极极地平流层云的形成温度可以持续几个月，因此每年冬季都会发生严重的臭氧层损耗。
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这张北极极地平流层云照片是在瑞典基律纳从地面拍摄的，在2000.1.27。当温度较低时，南北极地区平流层中会形成极地平流层云。微粒通过水和硝酸的冷凝作用不断生长。这些云通常人眼可见，当太阳接近地平线时。pscs表面的反应能够生成clo，它能够通过化学反应破坏臭氧层。
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