人们意识到臭氧层破坏问题，最早是 1974 年美国科学家罗兰(Sherwood Rowland)和莫里纳(Mario Molina)提出氟氯碳化合物(chlorofluorocarbons, CFC，为冷媒、工业清洁剂、填充剂、喷雾剂等的主要成份)破坏臭氧层的理论；至 1985 年南极观测站的科学家利用探空气球发现臭氧浓度有减少趋势后，更加确认上述论点。由于臭氧层会吸收紫外光，保护地表生物，若破洞不断扩大，高量的紫外光将危及动、植物的健康，因此各国很快在 1987 年签订蒙特娄公约，管制 CFC 的生产。然而，2007 年美国喷射推进实验室的研究员波普(Francis Pope)却得出 CFC 破坏臭氧的速率低，不足以形成臭氧洞。究竟臭氧洞与 CFC 之间的关联性如何？

　　破洞形成关键

　　根据科学家测得的臭氧浓度显示，臭氧层破洞形成于每年极区的冬天至初春，初春达最大，过了初春，破洞开始缩小，至夏、秋之际臭氧浓度逐渐升高，但到来年冬天破洞又会逐渐形成、扩大。南极的臭氧洞问题比北极严重得多，目前的理论认为，关键在于南极有强劲的“极区涡漩”，因为臭氧洞大小及形成时间与极区涡旋正好相吻合。

　　台湾“中央大学”大气科学系教授王国英表示，受大气环流、南极陆地面积小等诸多因素影响，南极冬天的平流层会出现风速每秒约 60~70 公尺的涡漩，强劲涡漩隔绝了外来的暖空气，再加上冬天缺乏太阳辐射，致使涡漩内温度不断下降，低温会持续三个月，最低可达 -100℃ 以下。

　　这样的低温会导致平流层产生冰晶，形成“极区平流层云”(polar stratospheric clouds, PSC)，人造的 CFC 进入平流层时，会先受到光化分解形成如HCl、ClONO2 等化合物，之后再与极区平流层云的固态冰晶碰撞，释出氯分子，氯分子受到阳光照射，就会分解为氯原子。氯原子就是导致臭氧浓度下降的元凶，它会产生催化作用，加速臭氧分解成氧气(见图)。人类排放的氯原子含量其实不到臭氧分子的1/1000，但由于氯原子是扮演催化剂角色，可持续分解臭氧，因此对臭氧层造成相当大的威胁。

　　在南极上空，极低温时期长达三个月，浓厚的极区平流层云会使 CFC 大量分解。北极虽然也会形成涡漩，但强度不大，冷暖空气有机会混合，因此极区涡漩内的极低温不太可能长达三个月，臭氧层遭破坏情形也就没那么严重。

　　如何证明CFC是不是元凶？

　　目前科学家主要是依据过氧化氯吸收阳光放出氯原子的反应速率，来预估 CFC 造成臭氧洞的严重性。传统测定法是让紫外光通过过氧化氯的样品槽，藉由测量紫外光衰减的程度，推算出过氧化氯吸收阳光的截面积，其值越大表示越容易吸收紫外光，破坏臭氧的速度就越快。然而纯的过氧化氯不易制造，又无法确定样品槽内各种分子吸收紫外光的比例，造成的误差范围可高达20~50%，也因此不同科学家推算 CFC 的破坏速率都不一样。不过大部份的研究结果都认为 CFC 确实能造成臭氧洞，直到波普在 2007 年得出相反结果，学界才开始怀疑先前臭氧洞形成的理论。

　　然而，“中央研究院”原子与分子科学研究所与交通大学应用化学系合聘副研究员林志民领导的团队以此为题进行研究，却再次推翻了波普的研究结果。他们为了提升实验准确率，改采质谱仪测量过氧化氯受紫外光照射后过氧化氯分子减少的数目。由于质谱仪可以只侦测过氧化氯分子，不受其它杂质干扰，误差降到5%。林志民团队测得的过氧化氯在 351 奈米波段的吸收截面积约为 10-19 平方公方，是波普的 10 倍(截面积越大表示越容易吸收阳光而分解出氯气)，也就是说，实验结果重新证实过氧化氯分解出氯原子的速度相当快，CFC 确实是臭氧洞的元凶。该成果发表在今年 5 月的《科学》。

　　自从蒙特娄公约于 1989 年生效后，臭氧层破坏物已有下降趋势，不过臭氧洞最快也要等到 2050 年才有机会复原，未来只要各国遵守公约，让平流层的氯及其它能够透过催化反应、加快臭氧分解的分子，以ClONO2、HNO3等较重分子的形式沉降至对流层后，就能使臭氧洞缩小，地球的生物圈也就不用再受到紫外光的威胁了。

　　“福卫三号”也能侦测臭氧层破洞

　　科学家测量臭氧层破洞的方法，最早是施放专门侦测臭氧浓度的探空气球至平流层测量臭氧浓度。1990年代后，科学家发现臭氧洞的大小与“极区涡漩”范围吻合，因此藉由释放侦侧平流层温度的探空气球，同样也能推估臭氧洞的大小。不过探空气球大多得从陆地释放，而且人力有限，极区气象站每天只能定时放两次探空气球，加上仪器进入高空低温状态后容易故障，因此无法收集到完整信息。

　　2006年福尔摩沙卫星三号升空后，“中央大学”大气科学系研究团队便率先利用福卫三号测量南极上空平流层的温度，成功计算出臭氧洞大小。福卫三号是由六颗微卫星所组成，所在高度为 600~800 公里高空，可接收来自高度约 3 万公里的 24 颗全球定位卫星(GPS)的电磁波信号。GPS朝地球发射信号，遇大气层后，会产生向地球偏折的折射现象，使得原本被地球挡住的信号得以弯曲前进而被福卫三号接收，从电磁波的折射路径可算出沿途大气的温度、湿度、压力等。

　　“中央大学”大气科学系教授王国英表示，福卫三号每天可取得200多笔南极地区的气温资料，为探空气球的20倍以上，这些信息不仅证实南极冬天形成的极区涡漩是臭氧洞的主因，也能推算未来极区平流层云的形成情形，估计出臭氧洞大小，进而及早对全球发出紫外线警告。

　　(摘编自台湾《科学人》2010年10月号 文／杨嘉慧 审稿／台湾“中央大学”大气科学系教授　王国英)