Q10 臭氧层消耗物质在整个平流层中广泛存在，为什么臭氧层空洞出现在南极上空？
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独特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最低值。在通常状况下南极地区在7/8月最低温度为-90℃左右。在北极，12/1月份最低温度接近-80℃。极地平流层云在臭氧层中形成，当冬季最低温度低于-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。北极最低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。
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最强的氧化氯的浓度（见下文和Q8）。在极地的冬天，平流层中的温度是最低的。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极强的风造成，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最强的含氯反应气体的丰度。这些反应能够使得ClONO2和HCl反应生成活性最强的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。最常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，最大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。
小知识3：臭氧层空洞的发现
首次南极臭氧总量减少的现象在20世纪80年代早期通过南极科考站被观察到。测量仪器是多布森分光光度计。当时观测到的深冬或初春9、10、11月臭氧总量呈现出不寻常的低。这些月份的臭氧总量低于之前最早到1957年观测到的值。早期的报告来自日本气象局和英国南极调查局。在1985年来自英国南极调查局的三位科学家在Nature上边发表了他们的观测结果并且推测CFCs是主要原因，这个结果开始被全世界广泛接受。随后卫星观测结果证实了春季臭氧损耗现象而且进一步表明从1980s开始，在每个冬末或者春初，臭氧损耗以南极附近为中心延伸到很大的区域。“臭氧洞”这个词就产生，用来描述卫星图像中以南极大陆为中心持续几周的总臭氧量非常低的现象（见Q11）。目前，南极臭氧空洞的形成和严重性每年通过卫星、地面基站和气球观测臭氧层来进行记录。
早期南极臭氧监测 第一次南极臭氧总量监测是利用多布森分光光度计在1950s开展，是已在北半球和北极圈开展的大量监测的延续。春天臭氧总量的值大约是300DU，远远低于北极圈春天的值，因为当时的假设是南北两极的臭氧总量相近。我们现在知道这些南极臭氧总量监测值并不是异常值，而且它们和1970s臭氧层空洞出现之前的观测值相近（见图Q11-3）。同时，南极臭氧总量值相对于北极是应该要低一些，因为南极极地涡旋要更强，因此能够更有效组织中纬度臭氧丰富地区向极地的传输（见图Q11-3和Q12-2）。
在1958年，臭氧总量的监测是在南极Dumontd’Urville站开展，利用感光法分析穿过臭氧层的太阳紫外辐射。报告的观测值是异常的低值，在九月和十月达到110-120DU。这些值与现在相同月份观测到的臭氧层空洞的最低值比较接近（见Q11-2）。一些人推测这些有限的证据说明臭氧层空桶在ODS排放量足够多之前就已经存在。然而，对其他南极站点利用多布森分光光度计在1958年的测量值进行分析，并没有证实该异常低的值。这些监测值表明1958年Dumontd’Urville站得出的测量值并不是值得相信的。
Q11 南极臭氧层损耗有多严重？
第一次关于南极臭氧层严重损耗的报告出现在20世纪80年代中期。南极臭氧损耗是季节性的，主要发生在冬季末到春季初（8月-11月）。损耗最高峰出现在10月上旬，这时在一定的高度范围内臭氧层已经被完全破坏，因而在一些地方减少臭氧总量达到2/3。这种严重的臭氧损耗在卫星关于南极臭氧总量的测量图上呈现出“臭氧层空洞”。在大部分年份，臭氧层空洞的最大值远远超过了南极洲的面积。
南极臭氧层严重损耗，也就是臭氧层空洞，在1980s中期被首次报告。臭氧层耗损是由含氯气体化学反应导致的。20世纪后半段，平流层中含氯气体大大增加。南极冬天和初春平流层中的条件促进了臭氧耗损的过程，原因有三：1）长时间的极低温，能够形成极地平流层云；2）极地平流层云能够产生大量活性含氯气体；3）平流层气体的孤立性，使得化学破坏反应有时间能够进行。南极臭氧层耗损长期的变化和严重性可以通过卫星观测臭氧总量和臭氧层高度剖面图看出。
图Q 11‑1 南极臭氧空洞
2013年9月14日南极高纬度臭氧总量在图中显示出。深蓝色和紫色区域表明严重臭氧损耗或者在每年春季出现的臭氧层空洞。臭氧层空洞中出现的最低臭氧总量的值接近100DU，而正常南极春天臭氧总量的值约为350DU。臭氧空洞一般是通过地理区域来界定，臭氧总量地图中220DU廓线包围的区域。在春季末或夏季出，卫星观测图中臭氧空洞消失，因为臭氧消耗气体被取代而且与其他臭氧含量丰富的平流层气体混合。值得说明的是南半球在冬季末臭氧总量最高值一般出现在环绕臭氧层空洞的新月形区域中。
南极臭氧层空洞 最广泛使用的南极臭氧层空洞的图片来自于文星测量的臭氧总量。一副南极初春测量值显示一大片以南极点为重的区域臭氧总量严重损耗（见图Q11-1）。该区域被称作臭氧层空洞因为低臭氧区域的廓线呈现出近似的原形。臭氧层空洞区域在这地判断的标准是臭氧总量为220DU的廓线，平均发生在每年九月21-30。该区域在2006年达到最大值27000000平方公里，相当于两个南极洲的面积。臭氧层空洞中臭氧总量的最低值在九月末和十月中接近110DU，与正常春季时的350DU比低大约2/3（见图Q11-3和Q12-1）。臭氧层空洞中低臭氧总量与臭氧层空洞外高臭氧总量值的分布大大相反，该特征可以在图Q11-1，在其中一个臭氧总量在400DU左右的新月形的区域在2013年9月包围这一大部分的臭氧层空洞。
南极臭氧层的高度剖面图 臭氧层空洞中低的臭氧总量是由底层平流层中臭氧层几乎被完全去除引起的。气载测量设备显示出损耗发生在臭氧层，在该高度通常具有最高的臭氧浓度。在地理上具有最低臭氧总量的位置，气载测量设备显示化学破坏作用在一个高地区域以上几千米就已经完成。比如，在2006年9月南极点的臭氧剖面图中，臭氧浓度在高地区域之上14-21千米已经接近0。冬季最低温和ClO最高浓度也发生在该区域（见图Q8-3）。平均南极点臭氧剖面图在1962-1971和1990-2013的不同显示出含氯气体对臭氧层造成多么严重的破坏。在1960s，正常的臭氧层在十月份的剖面图中是很明显的，大约在16千米的高度出现峰值。在1990-2003平均剖面图中，最小值出现在16千米附近，臭氧总量与正常值相比降低了约90%。
图Q 11‑2 南极臭氧空洞特征
南极臭氧空洞关键方面的长期变化已在图中显示：由220DU廓线包围的区域和最低臭氧总量观测值。这些数值来自卫星观测数据而且每年在臭氧损耗达到峰值时取平均。在上边的图表中包含陆地面积作为对照。自1980年以来，臭氧层损耗的程度逐渐加重。在过去二十年中，损耗可以稳定达到同比的值，除了2002年出现不正常的低损耗现象。南极臭氧损耗的量级会随着ODS物质的去除而不断下降（见图Q16-1）。按照估算，到2050年之前南极臭氧总量都不能恢复到1980年的值。
长期臭氧总量变化 以臭氧层空洞为代表的春季臭氧层损耗仅仅在1980s早期之后才开水被观察到，然而低温和孤立条件在南极地区每年都会发生。在1980年以前，和平流层中强烈的臭氧传输相比，平流层中含氯气体的量不足以造成明显的损耗。卫星观测能够通过多种途径检验在过去30-40年之间南极臭氧损耗的变化。
第一，在图Q11-2中臭氧层空洞面积显示损耗从1980年一直在上升，然后在1990s，2000s保持稳定，到了2010s早期，面积大约为23000000平方公里。其中的例外是2002年较低的损耗现象，这将在本问题结尾的方框中给出解释。这里臭氧层空洞的面积是臭氧总量图中220DU廓线所包括的地理范围的面积（见图Q11-1）。
第二，图Q11-2中显示的南极臭氧量最小值表明损耗的严重性和臭氧层空洞面积从1980年左右开始增加。最小值一直稳定在110DU附近，而且在1990s、2000s和2010s早期都被观测到，除了2002年。
第三，南极臭氧总量图和周围区域显示臭氧层空洞一直发展（见图Q11-3）。十月份臭氧总量确认了臭氧层空洞在1970s没有出现，而早期2000s后期和2010s早期持续不断的出现。
Q 11‑3 南极臭氧层空洞
南极臭氧总量的长期变化通过图中卫星观测到的臭氧总量图可以看出。每张图都是十月份的平均值，此时南极臭氧损耗最为严重。在1970s，按照臭氧总量低于220DU的标准（深蓝色和紫色），没有发现臭氧层空洞。从1980s开始，臭氧层空洞开始出现并且范围不断增长。从1990s早期以来，较大的臭氧层空洞每年都会发生，见图Q11-2。2000s晚期和2010s早期的臭氧总量图显示出最新臭氧层空洞的范围（大约2500万平方公里）。十月份在南半球高纬度地区臭氧总量的最大值仍然出现在臭氧空洞外部新月形区域中。图中显示这些最大值和范围从1970s以来出现明显的减弱。
第四，每年十月南纬63°以南的臭氧量均值展现了臭氧空洞及其周围地区的臭氧总量的变化情况（参见图Q12-1）。这一总量自臭氧空洞在20世纪70年代被发现以来一直显著下降，目前大约比臭氧空洞初期（1970-1982）下降30%。总量均值比上文提到的其他臭氧测量值更加明显地展示出了年变化的差异，因为总量均值包含了臭氧总量分布随气象条件变化的臭氧空洞外围的区域。持续增加的同比变化在过去十年里显而易见。Q11-3的地图展示了臭氧空洞周边地区每年的臭氧总量最大值是如何在过去的30年中逐渐减小的。这一结果也印证了图Q12-1的描述。
图Q 11‑4 异常的2002年南极臭氧空洞
上图展示了2001，2002和2003年9月24日太空观测的南极臭氧空洞情况。臭氧空洞在2001年和2003年的状态与20世纪90年代以来的观测结果相符。2002年9月24日之前，一个最初形成的单圆形空洞一分为二，变成两个更小的损耗区域。这一异常现象归因于极地平流层的早期变暖，这种变暖是由起源于对流层的气象扰动引起的。气温升高减小了臭氧损耗的程度。结果造成2002年的臭氧耗损程度小于2001年、2003年和20世纪90年代以来的情况（参见图Q11-2）。
春季臭氧空洞的消失 严重的南极地区臭氧损耗发生在晚冬/初春的季节。在春季，极地平流层下部气温升高（参见图Q10-1），阻止了极地平流层云的形成和ClO的生成，也因此阻止了最高效的臭氧消耗化学循环的发生。极地涡流分解，结束了冬季高纬度地区的空气隔离，并增加了南极地区同较低纬度地区的气流交换。这使得大量富含臭氧的气流被传输至极地地区，取代或混合了极地臭氧缺乏的空气。中纬度地区的气流同时含有更高浓度的氮氧化物（NOx），这些氮氧化物可以将参与反应的含氯气体（ClO）固定为储氯气体ClONO2（参见Q6）。作为这些大规模传输和混合过程的结果，臭氧空洞在12月份消失。
小知识4：2002南极臭氧空洞
2002年的南极臭氧空洞展现出了令人惊异的特征（参见图Q11-4）。该空洞与2001年相比其臭氧空洞和最低臭氧总量耗损情况明显减弱。在图Q11-2中列出的这些年变化的数值中，2002年的数值显得尤为突出。之前并没有关于2002年臭氧空洞特征异常的预测，因为臭氧消耗需求的化学与气象条件，即低温和活跃的卤素气体，在当年的情况并未与往年有显著差异。2002年，臭氧空洞最初与预期一样在八月和九月初形成。接下来，在九月的最后一周，一件意料之外的强气象事件发生，将臭氧空洞重塑成分离的两部分。作为此次干扰的结果，这两部分区域相互合并的面积在九月末和十月初的观测数值远小于之前或之后的观测值。
在2002年，这一意料之外的气象影响是由偶尔在极地地区会发生特殊的大气气流运动造成的。南极平流层的气象分析表明，九月末中纬度地区低层大气（对流层）形成了强烈且大规模的天气系统，这些系统导致了南极地区平流层温度的升高。彼时南极气温通常非常低（参见Q10），同时臭氧损耗率临近峰值。这些对流层系统的影响向极地延伸并上升至平流层，干扰了正常的环极风流（极地涡流），同时使得臭氧损耗正在发生的平流层底增暖。更高的温度减小了臭氧层的损耗率并导致了图Q11-2中更高的臭氧总量最小值。这些臭氧损耗关键时期的高于常值的气象干扰减少了2002年臭氧的总损耗。
在过去几十年的南极气象观测中，2002年的增暖事件带来的强烈影响都是独一无二的。另外一个发生在1988年的增暖事件造成了较小的臭氧空洞特征的变化（图Q11-2）。大规模的增暖事件的预测比较困难，因为这些事件的发生需要复杂的条件。
2003至2009年，臭氧空洞特征恢复到20世纪90年代中期至2001年的水平（参见图Q11-2）。自20世纪90年代以来的高臭氧层损耗（2002年除外）在未来的几年里仍将继续发生。显著且持续的南极臭氧耗损的减少及最终的臭氧总量的恢复，需要可比且持续的平流层ODS的削减。即使源气体的削减已经正在进行中（参见Q16），南极臭氧总量在2050年以前将不会恢复到1980年的水平。
Q12 北极圈存在臭氧层损耗吗？
是的。目前大部分年份的晚冬/初春的时间段（一月-三月）北极臭氧层会发生明显的损耗。然而，北极地区的最大损耗与南极地区的观测值相比程度并没有那么严重，而且由于北极地区极地平流层多变的气象条件，北极地区每年的观测结果也不尽相同。在北极地区，即使最严重的臭氧损耗对全球臭氧层总损耗的贡献也不及南极，因为北极地区在初冬臭氧损耗开始之前的臭氧丰度要远大于南极。在南极经常被发现的巨大的且反复出现的“臭氧空洞”在北极并不存在。
在最近的几十年里，北极平流层已经观测到显著的臭氧损耗。这种损耗可归因于活性卤素气体的破坏。这些气体在20世纪后半叶的平流层（参见Q16）中显著增加。北极臭氧损耗同样发生在晚冬/初春时间段（一月-三月），但持续时间较短于南极（七月-十月）。与南极相似（参见Q11），北极臭氧损耗的发生是由于：（1）极低气温时间段的存在。在这一时间段里，极地平流层云形成；（2）大量的活性卤素气体在极地平流层云上反应生成；（3）极地平流层空气的隔离，为化学损耗过程的发生提供了时间条件。
北极臭氧损耗远小于南极冬/春季已观测到的情况。在南极平流层的巨大且反复出现的臭氧空洞并未在北极发生。在北极，臭氧损耗之前发生在初冬的平流层臭氧富集量远大于南极。这是由于北半球自的臭氧自热带源区域向高纬度地区的传输活动更加积极。北极的臭氧损耗是有限的，因为与南极的状况相比，北极的平均温度要明显更高（参见图Q10-1），同时极地平流层空气隔离的现象要弱于南极。气温和其他气象差异的发生是由于北半球极地地区比南半球极地地区拥有更多的平原和山区（比较Q11-3和Q12-2）。例如，在一些北极的冬天里，由于气温并未达到足够低，极地平流层云无法形成。这些差异造成了北极臭氧损耗的范围和时间在年际之间的巨大变化。在一些冬/春季发生的臭氧损耗持续数周，但另一些年份仅发生简短的早期或晚期阶段，有些年份甚至根本不会发生。
长期臭氧总量的变化 在过去的30-40年里，北极地区卫星观测可以以下两种方式监测臭氧总量均值并与南极观测值进行对比。
首先，北纬63°以北地区的三月臭氧总量均值展现了北极臭氧总量在数量上的变化情况（参见图Q12-1）。北半球季节性高臭氧含量的气流向极地传输的过程要活跃得多。因此，每年初冬北极的初始臭氧总量就远大于南极。在损耗过程发生之前，北极臭氧总量常值接近450DU，而南极只有330DU左右。在北极，自臭氧空洞以来极地臭氧总量均值减少的现象在20世纪80年代中期被发现，而此时南极地区早已发生了巨大变化。总体上，北极臭氧总量减少的程度远小于南极，约比臭氧空洞发生前的臭氧总量减少10%-15%。北极臭氧总量减少量的最大值发生在1997年和2011年，达到约30%。在这些冬季，气象条件使得臭氧的高纬度传输量低于平均水平。2011年，北极地区持续的低温也促进了ODS损耗臭氧化学过程的发生。
图Q 12‑1极地地区臭氧总量均值
图中展示了南极和北极长期的臭氧总量均值变化（定义纬度为63°-90°）。臭氧总量由卫星仪器测定。其中参考值（红线）是基于1970-1982年可获取的春季臭氧总量观测数据。每个点表示南极十月或北极三月的月平均值。自1982年以来，北极的大部分年份和南极的全部年份都有显著的臭氧损耗。在南极，最大程度的年均损耗发生在1990年以后。臭氧层的变化是化学损耗和自然变化联合作用的结果。气象条件的变化影响着臭氧层的年际变化，尤其是北极地区。自2000年以来，南极地区的气候变化情况也逐渐增加。基本上，南极总量损耗量的全部和北极总量损耗量的50%归因于活性卤素气体的化学损耗作用。在北极，另外50%的损耗是由于初冬和冬季北极臭氧传输过程受阻。在每年的冬季之前，北极臭氧总量均值的初始值明显高于南极，这是由于北半球臭氧向极地地区的传输量要大于南极。
总之，北极臭氧总量在年际间的变化情况比南极显著。臭氧总量均值自1970-1982年的变化情况是由ODS的损耗作用和气象条件的变化一起造成的。在过去的二十年里，这两方面的影响对臭氧层变化的贡献大致相当。化学损耗量在很大程度上受到平流层温度的影响。气象条件决定了北极平流层大气和低纬度地区富臭氧大气的隔离程度并影响着低温的范围。
其次，北极及周边地区臭氧总量地图（参见图Q12-2）展示了三月臭氧总量的年际变化情况。在20世纪70年代，北极地区三月臭氧总量均值接近450DU。自20世纪90年代以来至21世纪10年代，三月均值的地图上已经无法看到总量值大于450DU的情况。自20世纪70年代以来至21世纪10年代，从地图上的比较可以看出北极地区臭氧总量的显著下降。1997年和2011年三月低臭氧总量区域的大范围表示了过去三十年里北极观测记录中出现的异常事件，详情请参见上文关于图Q12-1的讨论。
图Q 12‑2北极地区臭氧总量
这些来自卫星观测的地图清晰地展现了北极臭氧总量的长期变化情况。每张地图展示的是北极地区臭氧损耗事件可被观测到的三月的均值。在20世纪70年代，北极地区三月的臭氧总量均值正常，在450DU或更高（红色）。大规模臭氧损耗导致的南极臭氧空洞并未在北极出现，取而代之的是晚冬/初春的臭氧损耗使得臭氧总量的高水平总量均值下降。从21世纪00年代末期至21世纪10年代早期的地图可以看到与20世纪70年代的地图相比，450DU或更高的臭氧总量均值已显著下降。1997年和2011年的大面积低臭氧总量地区（蓝色）属于北极记录中的异常情况，但之前并未被预测到。气象条件导致了平流层温度低于平均水平，并导致了这些冬季极地涡流的形成。这些都是强臭氧损耗的必要条件。
北极地区臭氧高度概况 北极地区臭氧使用多种仪器进行测量（参见Q5）。与南极类似，记录臭氧层的日变化和季节性变化。图Q12-3比较了北极和南极春季球载观测数据。北极地区的数据来自北纬79°的Ny-Alesund研究所。1989-2014年，北极地区三月的平均数据展示了一个非常稳定的臭氧层，与南极十月同时间段臭氧层的严重损耗具有显著差异。这进一步揭示了北极地区的平流层温度和气候条件稳定性要显著高于南极，从而避免了北极臭氧层遭受巨大的损耗，尽管同期两地区的活性卤素气体含量相近。
北极地区独立的观测数据表明1996年3月29日和2011年4月1日两天是Ny-Alesund研究所25年数据中臭氧损耗最严重的两天。尽管损耗显著，这两天的臭氧损耗程度还是比南极观测的情况（如2006年10月9日）要小。数千米高度和面积约等于整个北美的近乎完全损耗的臭氧区域，现在在南极的平流层非常常见，但北极尚未观测到上述状况。
春季臭氧恢复 同南极相似，北极的臭氧损耗事件主要发生在晚冬/初春。在春季，极地平流层底部的温度上升（参见图Q10-1），阻止了极地平流层云的形成和ClO的生成，进而阻止了最有效损耗臭氧层的化学循环。极地涡流的分解结束了冬季高纬度地区的大气隔离，促进了北极平流层和低纬度地区的大气交换。这使得富臭氧大气得以向极地传输，取代或与极地臭氧损耗的大气混合。受这些大规模传输和混合过程的影响，臭氧损耗事件一般消失于四月或更早。
图Q 12‑3北极和南极臭氧的垂直分布
绝大多数平流层臭氧存在于10至30千米之间（8至19英里）的地表。基于球载仪器的对于臭氧层的长期观测使得北极与南极地区冬季臭氧高度概况得以比较。在南极点（左），在1962-1971年可以观测到正常水平的臭氧层。在过去的20年里，如图中2006年10月9日所示的那样，南极地区春季14-21千米（9-13英里）大气的臭氧几乎完全被损耗。过去10年臭氧层最大高度的十月均值与1980年以前（16千米）相比下降了90%。与之相比，通过Ny-Alesund观测点1989-2014年的数据可以看出北极的臭氧层始终存在（右）。在ODS开始损耗臭氧层之前的1962-1971时间段，Ny-Alesund缺乏可获取的具体数据。一些三月的数据显示了显著的损耗情况，如图中所示1996年3月29日和2011年4月1日。在这些年份里，冬季最低气温远小于正常平均水平，这有利于极地平流层云的形成和长期保持。如2006年10月9日所示的南极地区臭氧损耗并未在北极被观测到。图中括号内的数字是以DU计的臭氧总量数值。臭氧丰度在此处以不同高度的臭氧分压计，单位为毫帕（mPa）（一亿mPa=海平面气压）。
Q13 全球臭氧层损耗程度有多大？
全球臭氧层损耗自20世纪80年代以来显著增加，并在20世纪90年代早期达到最大值（约5%）。此后损耗水平在全球尺度下降到平均约3%。全球臭氧总量的平均损耗已超出年际的自然变化范围。臭氧损耗在赤道非常少，但随着纬度升高，损耗量会增大。极地大量的损耗归因于每年晚冬/初春发生的臭氧破坏事件。
全球臭氧总量自20世纪80年代起开始降低（参见图Q13-1）。这种减少发生在臭氧集中的平流层臭氧层（参见图Q1-2）。在20世纪90年代初期，全球臭氧总量下降达到最高值，相比1964-1980的平均值下降了近5%。此后耗损情况有所缓解，到21世纪10年代，平均水平比1964-1980的平均值下降近3%。图Q13-1展示的观测情况排除了由自然季节原因和极地影响（参见Q14）导致的常规臭氧变化。损耗量大于自然变化影响的全球臭氧总量。
过去三十年里观测到的全球臭氧的损耗归因于平流层活性卤素气体的增加。全球臭氧总量的最低值出现在1991年皮纳图博火山爆发之后的几年。这次火山爆发暂时性增加了平流层含硫酸颗粒物的数量。这些颗粒物显著地提升了活性卤素气体在臭氧损耗方面的活性（参见Q14），进而使全球臭氧损耗在火山爆发后的几年内增加了1%-2%。
极地地区 已观测到的臭氧总量损耗情况在全球范围内随纬度的变化具有很大差异（参见Q13-1）。其中最大的损耗发生在南半球高纬度地区，这是南极每年晚冬/初春南极严重臭氧消耗事件的结果。另一个最大的损耗发生在北半球的高纬度地区，由北极地区冬季损耗引起。尽管极地地区的损耗程度远大于低纬度地区，在全球尺度上极地地区的影响仍是有限的，这是由于极地地区的面积比较小。纬度在60°以上的地区面积仅占全球面积的13%。
中纬度地区 臭氧损耗现象在赤道和极地之间的中纬度地区也已被观测到。同1964-1980年的平均值相比，2008-2012年臭氧总量均值在北半球中纬度地区（北纬35°~60°）减少3.5%，在南半球中纬度地区（南纬35°~60°）减少6%。中纬度地区臭氧损耗有两个成因：第一，极地地区臭氧受损耗的大气会在冬/春季自极地地区扩散，进而减少极地地区之外的臭氧平均值。第二，根据已有的观测数据，化学损耗同样发生在中纬度地区。这一因素的影响远小于极地影响，因为活性卤素气体的含量较低，同时最具活性的卤素气体，如ClO，在极地平流层的季节性增加现象并不会在中纬度地区发生。
热带地区 热带地区（北纬20°~南纬20°）臭氧总量仅受到化学损耗的微弱影响。在热带平流层底部，空气在之前的18个月里被传输到更低层的大气（对流层）中。因此，ODS转化为活跃卤素气体的量很小。由于只有很少量的活跃卤素气体，这一区域的臭氧耗损总量也非常小。此外，由于热带地区额太阳紫外辐射最强，臭氧的产生量也很大。与之相反，极地平流层大气会在平流层中维持约4-7年，这给了ODS转化成活跃卤素气体大量的时间。目前对对流层大气寿命差异的研究已经非常明确，这是一种大量大气传输的结果：空气进入热带地区平流层，向两级迁移，随后下降并最终返回高纬度地区对流层。
图Q 13‑1全球臭氧总量变化
卫星观测表明全球臭氧损耗始于20世纪80年代。图表上方以臭氧空洞出现之前的1964-1980年年均臭氧量为基准比较了全球年均臭氧量变化。观测数据中剔除了季节性和太阳影响。平均来看，1980至1990年全球臭氧量每年都在下降。由于皮纳图博火山爆发产生的火山气溶胶的影响，臭氧损耗情况在1991年之后的几年里变得更糟（参见Q14）。2008-2012年全球臭氧平均浓度水平比1964-1980年下降约2.5%。图表下方展示了2008-2012年全球不同纬度臭氧损耗的变化情况。最大程度的总量降低发生在两级高纬度地区，这是由于极地冬/春季大规模的损耗事件的发生。由于南极臭氧空洞，南半球的损耗情况要比北半球严重。热带地区的长期变化程度较小，因为热带平流层底的活跃卤素气体量小于中高纬度地区，同时臭氧的产生量较大。
本文基于2015年别鹏举、翟紫含、李力、高丁、王梓元、李志方、姜含宇、张兆阳、赵梦可等翻译《Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2014 Update》编著