今年地球上这个比南极洲还大的洞，是火山轰出来的！

今年九月南极上空的臭氧层空洞（图片来源：esa）

或许有人还记得，今年年初，联合国发布了一份新的臭氧层消耗报告，称南极上空的臭氧层空洞预计在数十年内恢复到1980年的水平。

这不禁让人开始期待：那个因为人类滥用氯氟烃类物质（如用作冰箱制冷剂的氟利昂）而被大量消耗，最终出现巨大空洞的臭氧层——终于要恢复了吗？

但欧洲空间局（the European space agency）最新发布的监测结果，貌似泼出了一盆冷水。卫星监测显示，今年9月16日，南极洲上方的臭氧层空洞面积达到了2600万平方千米——面积约为三个巴西的大小——已经接近历史最大纪录，即2000年9月9日的2990万平方千米（也有测量结果为2840万平方千米）。

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今年7月至9月臭氧层空洞的变化（图片来源：esa）

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臭氧层空洞的现状

臭氧层位于距地面15km到30km的平流层，发挥着防止地球生物遭受过度紫外线伤害等重要作用。1985年，科学家在南极洲上空发现一个巨大且持续在增大的臭氧层空洞。1987年，由全球众多国家参与的《蒙特利尔议定书》（Montreal Protocal）开始通过消除或限制近百种“消耗臭氧层物质”（ozone-depleting substances, ODS）——尤其是氟利昂——来保护臭氧层。

在《蒙特利尔议定书》的推动下，“消耗臭氧层物质”的使用大大减少。而且自2000年开始，臭氧层空洞已经有了逐渐缩小的趋势。

2019年，臭氧层空洞面积达到了1985年以来的最小值（全年最大为1640万平方千米），但这更多是由于当年南极洲上空气温较高，臭氧消耗效率降低所致。随后几年，臭氧层空洞面积又回到了较高的水平。

历年来臭氧层空洞大小（图片来源：Copernicus Atmosphere Monitoring Service）

震动地球的火山

除了人类活动的直接影响，臭氧层消耗还可能和一些自然事件有关，如森林大火、火山爆发。而科学家认为，本年度臭氧层空洞的增大，便主要和一次火山爆发相关。

2021年1月15日，位于南太平洋汤加王国的洪阿哈阿帕伊岛海底火山（后称汤加火山）发生剧烈爆发。这是过去30年里最大的一次火山爆发，也是现代设备观测到的最大的一次火山爆发。

汤加火山爆发（图片来源：wikipedia）

美国航空航天局（NASA）的科学家吉姆·加文（Jim Garvin）说，这次火山爆发的能量相当于数百倍广岛原子弹爆炸所释放的能量。火山爆发在全球多地引发了海啸，从火山中喷发的物质甚至到达了海拔55千米的高空。

汤加火山的爆发引起了全球的广泛关注，当然也包括科学家们。在火山爆发后的不到一周内，一个研究团队就在火山下风向的一个岛上放飞了气象气球，开始观测火山引起的气象变化。他们发现，在火山爆发的仅一周之后，热带的西南太平洋和印度洋上空的平流层臭氧就减少了5%。

有科学家推测，火山喷发柱会将海拔较低的对流层中臭氧含量低的空气，带到海拔更高的平流层中，从而导致火山上方平流层臭氧浓度的降低。但若是这种情况，平流层的臭氧浓度会在喷发结束后迅速恢复；而事实上，喷发后数日，平流层中的臭氧还在持续减少。

这说明，除了对流层空气的影响外，火山喷发还导致平流层发生了化学改变，进而导致了臭氧的持续快速消耗。

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汤加火山爆发在世界多地引发海啸（图片来源：wikipedia）

火山对平流层的改变

通常来说，平流层中的卤素化合物是造成臭氧层损耗的重要罪魁祸首之一，比如氯化氢（HCl）、硝酸氯（ClNO₃）和溴化氢（HBr）。以氯化氢为例，它们在光照和氢氧化物等的作用下会产生活跃的氯自由基或一氧化氯自由基，在这些自由基的作用下，臭氧会迅速地被消耗。

在通常情况下，氯化氢在光照作用下分解为自由基的效率很低，但如果是在云层或气溶胶的表面，这一反应发生的效率就会非常高。这也部分解释了为什么臭氧层空洞出现在南极上空——这主要是因为南极温度很低，导致平流层容易形成云，使卤素自由基更多，进而导致臭氧层的大量消耗。

这次的汤加火山爆发，就向平流层注入了大量的卤素化合物，其中一部分可能来自于蒸发的海盐。但在臭氧消耗上，起到关键作用的是水蒸气。此次火山喷发出的水蒸气，占全球平流层总负荷的10%。

原理示意图（图片来源：Evan et al, 2023）

大量的水蒸气使得二氧化硫（大气中存在，火山爆发也会释放）更容易形成硫酸盐气溶胶，加速卤素自由基的产生。气象气球的测量结果显示，火山上方海拔26.4千米处的气溶胶表面积密度峰值为286.9平方微米/每立方厘米，比平流层的一般水平高了600倍。

此外，火山水蒸气注入平流层会导致湿度增加，并增强辐射制冷作用，也会让卤素自由基更容易形成。并且，硫酸盐气溶胶会降低氮氧化物的浓度，进而加速了卤素自由基消耗臭氧的速率。

据科学家估计，此次火山喷发导致的平流层水蒸气含量的大量增加，可能会持续4到5年，这可能会对臭氧层造成非常大的影响，今后还需持续的监测。

上述关于汤加火山爆发对臭氧层影响的研究，已经于10月20日发表在了《科学》（Science）上。这或许是在提醒我们，人类对自然界造成的伤害，就算在人类已经停止了伤害行为之后，其后果可能在很长一段时间内肉眼可见。

希望数十年后，我们能真的迎来联合国的臭氧层消耗报告预测的那样，臭氧层空洞回到1980年时水平的那一天吧。