臭氧層（臭氧 layer），指的是地球大氣層中臭氧濃度較高的區(qū)域，主要分布于平流層的下部，即距地面10~16千米的位置，延伸至50千米處。其厚度會(huì)因?yàn)榧竟?jié)、緯度變化而變化，2011年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金星上也存在一層較薄的臭氧層。
1913年，法國物理學(xué)家亨利·布瓦松和查爾斯·法布里提出了在較高層大氣中存在臭氧層這一理論。1930年英國地球物理學(xué)家卡普曼提出，大氣中的臭氧主要是由氧原子同氧分子，在有第三種中性分子參與下進(jìn)行三體碰撞時(shí)產(chǎn)生。臭氧層非常薄，若把臭氧層的臭氧校訂到標(biāo)準(zhǔn)情況，其厚度平均僅為3毫米左右。臭氧層形成于大氣層氧氣吸收太陽紫外線后發(fā)生的光解反應(yīng)，對地球有重要的保護(hù)作用。紫外輻射在高空被臭氧吸收，對大氣有增溫作用，同時(shí)保護(hù)了地球上的生物免受遠(yuǎn)紫外輻射的傷害。透過的少量紫外輻射，有殺菌作用，對生物大有裨益。臭氧層幾乎全部吸收了200~280納米波段的紫外輻射（UV-C），也吸收了約90%的280~320納米波段的紫外輻射（UV-B），這兩個(gè)波段的輻射可殺死或嚴(yán)重?fù)p害地球上的生靈。
上世紀(jì)80年代初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)南極上方的臭氧層在變薄，人類活動(dòng)正在干擾和破壞著大氣層上層臭氧的自然平衡，使臭氧的含量大為減少，南極上空甚至出現(xiàn)了臭氧層空洞，臭氧層的臭氧減少1%，將會(huì)使到達(dá)地面的紫外輻射增強(qiáng)1%。除此之外，臭氧層被破壞還會(huì)對植物、水生生態(tài)、生物化學(xué)循環(huán)、材料、對流層大氣等多個(gè)方面造成破壞。因此，聯(lián)合國組織簽訂了《保護(hù)臭氧層的維也納公約》《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》等多個(gè)國際公約。2022年12月，中國履行《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》30年，累計(jì)淘汰消耗臭氧層物質(zhì)（ODS）約50.4萬噸。
提出和發(fā)展
1913年，法國物理學(xué)家亨利·布瓦松和查爾斯·法布里提出了在較高層大氣中存在臭氧層這一理論。1930年英國科學(xué)家悉尼·查普曼發(fā)現(xiàn)臭氧層形成的光化學(xué)機(jī)制，即查普曼循環(huán)。在查著曼循環(huán)中，太陽能輻射引起氧分子的分解，從而產(chǎn)生自由氧原子。自由氧原子與其他分子氧結(jié)合形成皇氧分子，同時(shí)皇氧分子也會(huì)分解成氫原子和分子氧。
形成原因
臭氧層的形成與大氣中的氧對太陽輻射的吸收有關(guān)。在20～25公里高度范圍內(nèi)，既有足夠的氧原子，又有足夠的氧分子，最有利于三體碰撞，形成的臭氧每年約有500億噸。氧分子吸收太陽的短波輻射（紫外輻射）后被分解為兩個(gè)氧原子也就是光致離解反應(yīng)，氧原子再與一個(gè)未分解的中性原子結(jié)合而成為一個(gè)臭氧分子，其形成公式為
當(dāng)氣體密度很小時(shí)，自由氧原子差不多能無限期地存在，而當(dāng)密度較大，其可能存在的生命期相當(dāng)短。由于其存在與密度有這種關(guān)系，所以在中間層上部和熱層中，原子氧是一種較穩(wěn)定的成分，而在平流層中它很快與氧化合，形成臭氧。氧產(chǎn)生光致離解時(shí)并不強(qiáng)烈吸收波長大于0.20微米的紫外輻射，因此長（λ>0.2微米）的紫外輻射可以透射到較深的大氣層，并在那里遇到臭氧，促使臭氧吸收它而發(fā)生下列光致離解反應(yīng)，
因此，臭氧在平流層中不斷吸收紫外線，從而離解成氧原子，氧原子又離解為臭氧，臭氧層幾乎全部吸收了200~280納米波段的紫外輻射（UV-C），也吸收了約90%的280~320納米波段的紫外輻射（UV-B），這兩個(gè)波段的輻射可殺死或嚴(yán)重?fù)p害地球上的生靈。臭氧層的臭氧減少1%，將會(huì)使到達(dá)地面的紫外輻射增強(qiáng)1%。除此之外，臭氧層被破壞還會(huì)對植物、水生生態(tài)、生物化學(xué)循環(huán)、材料、對流層大氣等多個(gè)方面造成破壞。
分布
垂直分布
臭氧層分布在距地球表面10~50千米的平流層里，占大氣中臭氧總量的90%。其中，在大約20—25千米處，臭氧的含量達(dá)到極值，該高度范圍也被稱為臭氧層。臭氧在大氣中的含量非常少，在平流層中也僅占大氣總量的0.3%，即使在臭氧層，濃度也僅為0.2ppm。隨著環(huán)境的惡化，臭氧含量逐漸下降，臭氧層也面臨著被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
臭氧層中臭氧濃度的垂直分布廓線大致可分為2種不同的類型，即單峰型分布和雙峰型分布。對于單峰型分布，臭氧濃度隨高度增加而變大，在24千米處達(dá)到極大值，極大值出現(xiàn)的高度可在20~28千米范圍內(nèi)變動(dòng)，濃度最大值平均為140nb，隨季節(jié)不同而在120~170nb范圍內(nèi)波動(dòng)，其中1nb=10-6hPa。雙峰型分布即臭氧濃度廓線出現(xiàn)2個(gè)峰值，主峰仍在20~28千米范圍，而在10~14千米范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)次峰，在14~21千米范圍內(nèi)又出現(xiàn)一個(gè)極小值。峰值濃度比單峰型的峰值濃度略低。雙峰型分布多出現(xiàn)在春季，單峰型分布多出現(xiàn)在秋季。
水平分布
臭氧總量的分布也隨季節(jié)和緯度的變化而變化。臭氧總量一般在冬末春初出現(xiàn)最大值，而在秋季出現(xiàn)最小值。并且隨緯度的增加，臭氧總量的季節(jié)波動(dòng)越明顯。在熱帶地區(qū)，臭氧總量沒有明顯的季節(jié)變化。在同一季節(jié)，臭氧總量隨緯度增加而增加，臭氧總量在經(jīng)圈方向上的這種梯度在春季最為明顯。除了明顯的季節(jié)變化以外，臭氧總量日平均值也有明顯的逐日波動(dòng)和年際波動(dòng)。臭總量的年際波動(dòng)顯示出明顯的準(zhǔn)兩年周期波動(dòng)和長期下降的趨勢。這在兩極地區(qū)（尤其是南極地區(qū)）更為明顯。
臭氧層被破壞
人類活動(dòng)正在干擾和破壞著大氣層上層臭氧的自然平衡，使臭氧的含量大為減少，南極附近臭氧量減少尤為嚴(yán)重，大約低于全球臭氧平均值30%～40%，出現(xiàn)了“南極臭氧洞”。20世紀(jì)70年代，人類合成的某些化合物，尤其是氟利昂進(jìn)入平流層后，在短波紫外光作用下離解生成自由氯原子，并起連鎖催化作用，促進(jìn)O3的分解，造成地球兩極的臭氧層急劇減少。造成自由氯原子產(chǎn)生的是一類用途很廣的氯氟烴化合物（CFCs），主要有氟[fú]利昂11（CCl3F）、氟利昂12（CF2Cl2）等，這些是制冷、霧化、發(fā)泡等的重要原料。全世界每年生產(chǎn)氟利昂200萬噸以上，其中大部分最終被釋放到大氣層中。氮氧化物也是消耗臭氧層的主要物質(zhì)，氮氧化物來自氮肥的生產(chǎn)和化石燃料的大量使用。超音速飛機(jī)排出的NO氣體和汽車尾氣也是氮氧化物的重要來源。現(xiàn)代頻繁的大氣層火箭發(fā)射實(shí)驗(yàn)把平流層推開一個(gè)又一個(gè)的“洞”，并將氮氧化物和Cl推進(jìn)平流層，使它們有機(jī)會(huì)進(jìn)入臭氧層。
1995年，南極上空一次臭氧層空洞歷時(shí)40多天，面積2000萬平方千米，相當(dāng)于兩個(gè)歐洲。盡管1992年環(huán)發(fā)大會(huì)以來全世界對保護(hù)氧層采取了一系列措施，但是至1997年，全球仍不斷有臭氧層空洞的報(bào)道。1997年南極氧層空洞面積已達(dá)1859萬平方千米為南極大陸面積的1.3倍，被破壞的臭氧量約為5508萬t。在青藏高原等世界高地形區(qū)上空也探測出了臭氧低谷。2000年9月3日，南極上空的臭氧層空洞面積達(dá)到2830萬平方千米，相當(dāng)于美國國土面積的3倍。后來又觀察到最大的空洞達(dá)2918萬平方千米，2002年臭氧層空洞變小了，但2003年10月科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年南極上空大氣中的臭氧消失量自1961年有觀測史以來達(dá)到最大值，臭氧層空洞面積發(fā)展為有觀測史以來第二大規(guī)模，達(dá)2868萬平方千米，約為南極面積的2倍。
臭氧層被破壞的影響
對人體健康的影響
臭氧層被破壞會(huì)導(dǎo)致陽光紫外線UV-B的增加，對人類健康有嚴(yán)重的危害作用。人體研究結(jié)果也表明暴露于紫外線B中會(huì)抑制免疫反應(yīng)，潛在的危險(xiǎn)包括引發(fā)和加劇眼部疾病、皮膚癌和傳染性疾病。對有些危險(xiǎn)如皮膚癌已有定量的評價(jià)，但其他影響如傳染病等目前仍存在很大的不確定性。實(shí)驗(yàn)證明紫外線會(huì)損傷角膜和眼晶體，如引起白內(nèi)障、眼球晶體變形等。據(jù)分析，平流層臭氧減少1%，全球白內(nèi)障的發(fā)病率將增加0.6%~0.8%，全世界由于白內(nèi)障而引起失明的人數(shù)將增加10000~15000人；紫外線UV-B段的增加能明顯地誘發(fā)人類常患的三種皮膚疾病。這三種皮膚疾病中，巴塞爾皮膚瘤和鱗狀皮膚瘤是非惡性的。利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人類流行病學(xué)的數(shù)據(jù)資料得到的最新研究結(jié)果顯示，若臭氧濃度下降10%，非惡性皮膚瘤的發(fā)病率將會(huì)增加26%。另外的一種皮膚疾病是惡性黑瘤，惡性黑瘤是非常危險(xiǎn)的皮膚病，科學(xué)研究也揭示了UV-B段紫外線與惡性黑瘤發(fā)病率的內(nèi)在聯(lián)系，這種危害對淺膚色的人群特別是兒童期尤其嚴(yán)重。
對植物的影響
臭氧層損耗對植物的危害機(jī)制目前尚不如其對人體健康的影響清楚，但研究表明，在已經(jīng)研究過的植物品種中，超過50%的植物有來自UV-B的負(fù)影響，比如豆類、瓜類等作物，另外某些作物如陽芋、番茄、甜菜等的質(zhì)量將會(huì)下降。植物的生理和進(jìn)化過程都受到UV-B輻射的影響，甚至與當(dāng)前陽光中UV-B輻射的量有關(guān)。植物也具有一些緩解和修補(bǔ)這些影響的機(jī)制，在一定程度上可適應(yīng)UV-B輻射的變化。不管怎樣，植物的生長直接受UV-B輻射的影響，不同種類的植物，甚至同一種類不同栽培品種的植物對波長為280～320nm的UV-B輻射的應(yīng)變能力差異甚大。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，就需要種植耐受UV-B輻射的品種，并同時(shí)培養(yǎng)新品種。對森林和草地，可能會(huì)改變物種的組成，進(jìn)而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性分布。UV-B帶來的間接影響，例如植物形態(tài)的改變，植物各部位生物質(zhì)的分配各發(fā)育階段的時(shí)間及二級新陳代謝等可能跟UV-B造成的破壞作用同樣大，甚至更為嚴(yán)重。這些對植物的競爭平衡、食草動(dòng)物、植物致病菌和生物地球化學(xué)循環(huán)等都有潛在影響。
對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響
海洋浮游植物的吸收是大氣中二氧化碳的一個(gè)重要去除途徑，它們對未來大氣中二氧化碳濃度的變化趨勢起著決定性的作用。海洋對CO2氣體的吸收能力降低，將導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇。海洋浮游植物并非均勻分布在世界各大洋中，通常高緯度地區(qū)的密度較大，熱帶和亞熱帶地區(qū)的密度要低10~100倍。除可獲取的營養(yǎng)物、溫度、鹽度和光外，在熱帶和亞熱帶地區(qū)普遍存在的陽光UV-B的含量過高的現(xiàn)象也在浮游植物的分布中起著重要作用。浮游植物的生長局限在光照區(qū)，即水體表層有足夠光照的區(qū)域，生物在光照區(qū)的分布地點(diǎn)受到風(fēng)力和波浪等作用的影響。另外，許多浮游植物也能夠自由運(yùn)動(dòng)以提高生產(chǎn)力來保證其生存，暴露于陽光UV-B下會(huì)影響浮游植物的定向分布和移動(dòng)，因而減少這些生物的存活率。
對生物化學(xué)循環(huán)的影響
陽光紫外線的增加會(huì)影響陸地和水體的生物地球化學(xué)循環(huán)，從而改變地球大氣這一巨系統(tǒng)中一些重要物質(zhì)在地球各圈層中的循環(huán)，如溫室氣體和對化學(xué)反應(yīng)具有重要作用的其他微量氣體的排放和去除過程，包括二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、硫化羰（COS）及O3等。這些潛在的變化將對生物圈和大氣圈之間的相互作用產(chǎn)生影響。對陸生生態(tài)系統(tǒng)，增加的紫外線會(huì)改變植物的生成和分解，進(jìn)而改變大氣中重要?dú)怏w的吸收和釋放。當(dāng)紫外線B光降解地表的落葉層時(shí)，這些生物質(zhì)的降解過程被加速：而當(dāng)主要作用是對生物組織的化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致埋在下面的落葉層光降解過程減慢時(shí)，降解過程被阻滯。
對材料的影響
因平流層臭氧損耗導(dǎo)致陽光紫外輻射的增加會(huì)加速建筑、噴涂、包裝及電線電纜等所用材料，尤其是高分子材料的降解和老化變質(zhì)。特別是在高溫和陽光充足的熱帶地區(qū)，這種破壞作用更為嚴(yán)重。由于這一破壞作用造成的損失估計(jì)全球每年達(dá)到數(shù)十億美元。無論是人工聚合物，還是天然聚合物以及其他材料都會(huì)受到不良影響。當(dāng)這些材料尤其是塑料用于一些不得不承受日光照射的場所時(shí)，只能靠加入光穩(wěn)定劑或進(jìn)行表面處理以保護(hù)其不受日光破壞。陽光中UV-B輻射的增加會(huì)加速這些材料的光降解，從而限制了它們的使用壽命。研究結(jié)果已證實(shí)短波UV-B輻射對材料的變色和機(jī)械完整性的損失有直接的影響。
對對流層大氣的影響
在污染地區(qū)如工業(yè)和人口稠密的城市，即氮氧化物濃度較高的地區(qū)，UV-B的增加會(huì)促進(jìn)對流層臭氧和其他相關(guān)的氧化劑如過氧化（HO）等的生成，使得一些城市地區(qū)臭氧超標(biāo)率大大增加。而與這些氧化劑的直接接觸會(huì)對人體健康、陸生植物和室外材料等產(chǎn)生各種不良影響。在那些較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，即NO2的濃度較低的地區(qū)，臭氧的增加較少甚至還可能出現(xiàn)臭氧減少的情況。對流層反應(yīng)活性的增加還會(huì)導(dǎo)致顆粒物生成的變化，例如云的凝結(jié)核，由來自人為源和天然源的硫（如硫化羰和二甲硫醚）的氧化和凝聚形成。
發(fā)展動(dòng)態(tài)
2025年9月16日，保護(hù)臭氧層國際日，世界氣象組織發(fā)布的公報(bào)表示，地球的臭氧層正在恢復(fù)，面積也比2020-2023年期間小。公報(bào)稱，2024年觀測到的臭氧消耗水平較低，部分原因是自然因素導(dǎo)致的逐年波動(dòng)，但是，這一長期的積極趨勢反映了國際社會(huì)一致行動(dòng)的成功。公報(bào)稱，與2024年之前幾年數(shù)據(jù)相比，2024年全球大部分地區(qū)的平流層臭氧總覆蓋率較高。2024年，南極洲臭氧空洞的深度低于1990-2020年的平均水平。公報(bào)指出，臭氧層有望在21世紀(jì)中葉恢復(fù)到20世紀(jì)80年代的水平，顯著降低因過度紫外線照射導(dǎo)致的皮膚癌、白內(nèi)障和生態(tài)系統(tǒng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
保護(hù)措施
國際公約
1976年4月，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）理事會(huì)第一次討論了臭氧層破壞問題，并決定召開一次評價(jià)整個(gè)臭氧層的國際會(huì)議，在UNEP和世界氣象組織（WMO）設(shè)立臭氧層協(xié)調(diào)委員會(huì)（CCOL）定期評價(jià)氧層的破壞情況。1980年11月，協(xié)調(diào)委員會(huì)經(jīng)過調(diào)研和評價(jià)，認(rèn)為臭氧層耗損的確威脅人類健康和地球的生態(tài)系統(tǒng)，但在國際間采取協(xié)調(diào)控制措施比較困難，UNEP理事會(huì)決定建立一個(gè)特設(shè)工作組來制定保護(hù)臭氧層的全球性公約。1985年3月，UNEP在奧地利首都維也納組織召開了有21個(gè)國家的政府代表參加的“保護(hù)臭氧層外交大會(huì)”。會(huì)上通過了《保護(hù)臭氧層的維也納公約》，標(biāo)志著保護(hù)臭氧層國際統(tǒng)一行動(dòng)的開始。
1987年9月，由UNEP組織的“保護(hù)臭氧層公約關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書全權(quán)代表大會(huì)在蒙特利爾市召開。出席會(huì)議的有36個(gè)國家、10個(gè)國際組織的140名代表和觀察員，9月16日，24個(gè)國家簽署了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，該協(xié)定規(guī)定了受控消耗臭氧層物質(zhì)的種類、控制消耗臭氧層物質(zhì)限額的基準(zhǔn)、消耗臭氧層物質(zhì)的淘汰時(shí)間、確定了評估機(jī)制。
中國政策
經(jīng)中華人民共和國國務(wù)院正式批準(zhǔn)，中國在1989年加入了《保護(hù)臭氧層的維也納公約》，并分別于1991年、2003年、2010年加入了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》倫敦修正案、哥本哈根修正案、北京修正案。還制定了《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國大氣污染防治法》《消耗臭氧層物質(zhì)管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)，制定并實(shí)施了20余項(xiàng)有關(guān)保護(hù)臭氧層的政策。1993年，國務(wù)院批準(zhǔn)了《中國逐步淘汰消耗臭氧層物質(zhì)國家方案》，1995年制定了《工業(yè)商業(yè)制冷工業(yè)CFCs物質(zhì)逐步淘汰戰(zhàn)略研究》并在之后的多年里不斷完善對臭氧層的保護(hù)政策。
監(jiān)測
本地監(jiān)測
科學(xué)家使用一種輕型的、適合在小型氣球上發(fā)射的臭氧測量儀，通過探空氣球上升到大約32~35千米的高度來測量平流層臭氧層中的臭氧，臭氧探測儀在世界各地的許多地點(diǎn)定期發(fā)射。使用光學(xué)或化學(xué)探測方案的本地臭氧測量儀器也經(jīng)常在研究飛機(jī)上使用，以測量對流層和平流層下層（高達(dá)約20千米）臭氧的分布。高空研究飛機(jī)可以到達(dá)地球上大多數(shù)地方的臭氧層，在高緯度地區(qū)可以到達(dá)最遠(yuǎn)的臭氧層。在一些商業(yè)航班上也例行進(jìn)行臭氧測量，在全球數(shù)千個(gè)地點(diǎn)獲得了地面臭氧豐度的局部測量值。
遠(yuǎn)程監(jiān)測
臭氧總量的遠(yuǎn)程測量和臭氧的高度分布是通過在離儀器很遠(yuǎn)的地方探測臭氧而獲得的。大多數(shù)對臭氧的遠(yuǎn)程測量都依賴于它對紫外線輻射的獨(dú)特吸收。可以利用的紫外線輻射源有太陽光（以及從月球反射的太陽光）、激光和星光。例如，衛(wèi)星儀器利用大氣對太陽紫外線輻射的吸收或從地球表面散射的陽光的吸收，每天測量幾乎整個(gè)地球的臭氧。測量后向散射激光的激光雷達(dá)儀器通常部署在地面站點(diǎn)和研究飛機(jī)上，以沿著激光路徑探測數(shù)千米外的臭氧。一個(gè)地面儀器網(wǎng)絡(luò)通過探測到達(dá)地球表面的太陽紫外線輻射量的微小變化來測量臭氧。其他儀器則利用臭氧在大氣中不同高度的紅外線、可見光或紫外線輻射的吸收或微波或紅外線輻射的發(fā)射來測量臭氧，從而獲得臭氧垂直分布的資料。發(fā)射測量的優(yōu)點(diǎn)是在夜間提供遠(yuǎn)程臭氧測量，這對于在冬季持續(xù)黑暗的極地地區(qū)取樣特別有價(jià)值。
參考資料 >
臭氧層與氯氟烴的往事 | 國際臭氧層保護(hù)日 | 科學(xué)史小畫.今日頭條.2024-04-01
Scientists Discover Ozone Layer On Venus.SPACE.2024-07-12
美媒：南極上空臭氧層空洞持續(xù)擴(kuò)大.今日頭條.2024-04-02
（視頻）世界環(huán)境日 | 保護(hù)臭氧層 天空常藍(lán) .微信公眾平臺(tái).2025-05-20
世界氣象組織:地球臭氧層正在恢復(fù).光明網(wǎng).2025-09-16
Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2022 Update.UNEP.2024-04-02