來自南極上空的驚奇 < 摘自科學月刊第396期 2002年12月號 >
2002年9月24日至10月3日這段期間，南極極區渦漩的發展並不像往年完整、
涵蓋整個極區，而南極上空也沒有明顯臭氧減少的情形。
我們現在也密切注意：北極極區渦漩的發展是否也會發生異常的現象，
而未來的幾個月，將是2002年冬季北極極區渦漩發展的重要關鍵。
撰文／王國英 （國立中央大學大氣科學系教授）
--------------------------------------------------------------------------
每年9月初至11月初（南半球的冬末至初春），發生在南極極區上空平流層
臭氧急速減少的現象（臭氧洞），是個可以用來顯示全球環境變遷現象非常好
的例子。我們都知道：人類之所以可以在地球上安全的生活著，是因為地球的
大氣層上有著一層臭氧層，保護著地球上所有生物免於受太陽輻射的傷害。因
此觀察極區平流層臭氧濃度隨時間的變化，以及思考平流層臭氧洞形成的原因，
可說是人類心智活動上一項非常驚心動魄的歷程。我們每年都在觀賞這齣大自
然壯觀的演出，而人類卻是這每年一度大戲幕後的始作俑者。
每年的9月至10月初是南半球逐漸由冬季轉變為春季的季節。由過去近18年（
1983-2001）美國國家航太總署（NASA）TOMS衛星之臭氧總量觀測資料顯示，
南極大陸上空的中低平流層（高度約在18至25公里處），在每年的這個時候都
會發生臭氧急速減少的現象，導致一般人所稱的臭氧洞。極區平流層最低臭氧
濃度發生的時間，一般約在每年的9月底至10月初的一至二週內發生。整個臭
氧洞的現象可由9月底持續至11月，視南半球極區平流層渦漩的強度和冷度而
每年有些許的差別。另外，過去18年的臭氧總量觀測資料也顯示，南極上空平
流層臭氧洞的發生非常有規律，就好像是每年四季運行的節奏般。
極區渦漩的形成
臭氧洞的發生取決於南極大陸上空，高度約10至50公里處，存在一個強勁而
且足夠冷的南極極區渦漩。由於南半球地形（大多為海洋）比北半球地形（多
高山陸地）單純，因此北半球的對流層會產生比南半球較為激烈的大氣波動，
此波動會由對流層向上傳播而將能量傳送至平流層。由於南北半球間在低層（
對流層）擾動程度的差異，且南極大陸為一空曠終年冰雪覆蓋的大陸，因此南
半球極區上空的中層大氣擾動更小，造成南極上空的極區渦漩比較穩定，並能
夠長時間的維持在極區大陸上空﹝註﹞，時間約為每年南半球的秋末（5月底）
至初春（10至11月）。
南極極區渦漩發生強度最強，渦漩內空氣溫度最低的時間一般皆為7月至9月
（南半球的極區冬夜）。南半球極區渦漩在大氣動力上最大的特徵為：渦漩內
的空氣可以維持在極區渦漩內長達3個月以上的時間，而不會跟渦漩外的空氣
進行混合（有些許的混合過程是透過緩慢的垂直運動進行）。由於漫長的極區
冬夜，太陽的短波輻射無法加熱極區上空的大氣，加上夜間長波輻射的冷卻過
程，因此渦漩內的空氣溫度是隨著南半球季節逐漸進入深冬而持續降低，最低
約可低至零下80℃以下。每年這段時期的南極極區上空渦漩內的空氣溫度，幾
乎可以說是全球50公里以下大氣溫度最低的地方。
臭氧洞的發生
筆者可以將在漫長的南極冬夜上空平流層所發生的事情，歸納為以下三部曲：
（一）一個單純且幾乎是軸對稱的極區平流層渦漩，在南極上空的大氣維持長
久的完整環流結構；（二）由於渦漩內外的空氣隔絕超過3個月以上（幾乎橫
跨整個南半球冬季的漫長黑夜），因此渦漩內的空氣溫度透過輻射冷卻的過程
不斷的降低。這種持續低溫結果促成渦漩內部冰晶雲的生成，於是形成極區平
流層雲，主要化學成分為水、氮化物，及其他硫化物；（三）由於極區渦漩內
部平流層雲的存在，使得存在平流層的活性氯分子（主要為臭氧破壞氣體；此
外溴分子及其他一些分子亦能與臭氧反應）能夠透過惰性的氯化物在平流層雲
上冰晶表面的異質化學反應而被釋放出來。這些被釋放出來的活性氯分子，在
每年南半球的初春，太陽重新回到南極上空時，便會被太陽短波輻射光化分解
而形成氯原子。透過催化反應的機制，少數的氯原子便能在平流層裏有效造成
大量臭氧分子被摧毀。
毫無疑問，臭氧化學的過程是造成平流層渦漩內臭氧被大量破壞的主因。但
是培養臭氧化學反應進行的有利環境，完全依賴於渦漩內有足夠長時間的低溫
環境，在這裡大氣的動力過程就扮演了決定性的關鍵角色。當大環境的氣象配
置提供了有利的低溫生成條件，這些足夠的低溫便能夠促成極區平流層雲的形
成，透過平流層雲冰晶表面上的化學反應，釋放出活性氯分子而破壞臭氧分子。
全球最早而且最佳的地點和時間，就屬南極冬季極區上空的中低平流層的大氣。
此南極冬季極區上空的平流層渦漩，在過去的18年中（1983-2001）都非常規
律地發生。
今年南極平流層的異象
但是今年我們觀測到以前從未在南極上空平流層所發生過的現象。根據美國
航太總署TOMS衛星的臭氧總量衛星資料，從2002年的9月24日至約10月3日前後
期間，在南極上空我們所熟悉的位置上，並沒有存在一個如往常一樣明顯的極
區渦漩，以及明顯臭氧減少的情形。甚至在南極大陸上空大部分臭氧值高於過
去18年同期同區的觀測值。根據美國國家環境預報中心（NCEP）的氣象分析資
料顯示：今年的南極極區平流層溫度在上述期間和區域並沒有像往年低，也沒
有看到一個完整且範圍包括整個南極大陸的渦漩存在。事實上，氣象資料和臭
氧的衛星觀測資料皆顯示︰在這近兩週之內的南半球平流層是存在兩個小型的
分裂渦漩，在此兩個渦漩上的低溫區域，有著較往年範圍小的臭氧洞。這些分
裂渦漩的位置，約在南極大陸的外緣。
從10月4日以後，南極極區上空的環流型態又逐漸回到之前我們所熟悉的結
構：一個位在南極大陸上空低溫的極區平流層渦漩，以及在渦漩內部臭氧濃度
非常低的現象（臭氧洞）。
結 語
今年短短兩個禮拜的臭氧現象（和過去18年所觀測到的條件比較起來），再
次證明了目前我們對平流層臭氧化學的了解是正確的。亦即一個沒有極區渦漩
存在及較為暖和的極區平流層，是無法維持足夠的低溫，造成臭氧減少現象。
今年的特殊案例將能提供我們一個極為顯明的例子，讓我們思考未來全球氣候
變遷所可能對平流層臭氧造成的影響。以這個角度來看，大自然又再一次給我
們上了非常寶貴的一課。在今後幾個月甚至未來幾年內，包括筆者所從事研究
的國立中央大學大氣科學系大氣化學模擬實驗室，以及世界上其他平流層化學
研究機構都會對今年的個案作一系列深入研究，探討造成今年平流層短暫異常
變化的原因。
有趣的是今年9月24日至10月3日這段期間，南極極區渦漩的發展，看起來反
倒是有點像北極極區平流層極區渦漩的發展。我們現在也正密切注意：今年北
極極區渦漩的發展是否也會發生異常的現象，而未來的幾個月，將是今年冬季
北極極區渦漩發展的重要關鍵。
註：南極極區平流層渦漩比較穩定而且能夠長時間的維持在靠近南極的位置；
反觀北極極區平流層渦漩，由於受到較強平流層波動的影響，造成環流的結構
比較沒有像南極極區渦漩般的完整，同時使得北極極區渦漩產生比南極極區渦
漩更大的偏離極區中心搖擺的現象。
---------------------------------------------------------- 完 ------------
http://www.scimonth.com.tw/article.php?arid=114
--
╔═══╗ ┼────────────────────────╮
║狂狷 ║ │＊ Origin：[ 狂 狷 年 少 ] whshs.cs.nccu.edu.tw ╰─╮
║ 年少║ ┼╮ < IP：140.119.164.16 > ╰─╮
╚╦═╦╝ ╰ ＊ From：140.127.179.229
─╨─╨─ ＫＧＢＢＳ ─ ◎ 遨翔"BBS"的狂狷不馴；屬於年少的輕狂色彩 ◎