極地為什么氣候寒冷？

地球的公轉(zhuǎn)和季節(jié)變化

地球萬(wàn)物離不開太陽(yáng)，太陽(yáng)也是大氣運(yùn)動(dòng)和天氣、氣候形成的主要能量來(lái)源。地球斜著身子自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，造就了地球的晝夜，南北極的極夜、極晝和地球上的四季。在此過(guò)程中，春分和秋分時(shí)太陽(yáng)直射赤道。夏至和冬至?xí)r，太陽(yáng)直射北回歸線和南回歸線。赤道地區(qū)是全球接收太陽(yáng)輻射能最多的地區(qū)、氣候炎熱；南北極是接收太陽(yáng)輻射能最少的地區(qū)，所以氣候寒冷。

在南、北極的冬季，近地面受極地冷高壓所控制，高空為極地渦旋。南半球海洋多于陸地，且南極是被海洋包圍的冰雪大陸，其中心地區(qū)是平均高度為2350米的冰原。但北半球是陸地多于海洋，且北極是被陸地包圍的冰雪海洋，其中心布滿海冰，海冰表面海拔高度僅數(shù)米。

在北極地區(qū)的海洋上，除海冰外還有很多開闊水域，其整體反射率小于南極，北極地區(qū)下墊面接收到的太陽(yáng)輻射能遠(yuǎn)多于南極。種種原因?qū)е履蠘O的近地面極地冷高壓和高空極地渦旋都要比北極的強(qiáng)。再加上南極極地冷高壓的中心就在南極大陸上空，而北極并不是冷高壓的中心所在地，北半球冬季極地冷高壓的中心在西伯利亞。因此，南極比北極更冷。

1983年7月21日，坐落在南極冰蓋腹地的東方站（南緯78o）測(cè)得了-89.2oC的地表最低氣溫，這是現(xiàn)今世界上記錄到的地面氣溫最低值；而在北半球地面最低氣溫并不出現(xiàn)在北極地區(qū)，在北冰洋北極點(diǎn)附近的海冰漂流站上，測(cè)到的極端最低氣溫僅-59oC。北半球的地面最低溫度是1962年在西伯利亞奧伊米亞康（北緯63o）測(cè)得的-71.2oC。北極地區(qū)平均溫度和最低氣溫都要比南極地區(qū)高近20oC。

南極昆侖自動(dòng)氣象站（攝影：效存德）

2008年，中國(guó)在毗鄰南極昆侖站的冰蓋最高點(diǎn)（南緯81o）設(shè)立了自動(dòng)氣象站，目前記錄到的地面最低氣溫是-82.3oC，由于該地的海拔高度較東方站高出600多米，將來(lái)有可能會(huì)測(cè)得比東方站更低的全球地面最低氣溫紀(jì)錄。

其實(shí)南極比北極更冷，在植物分布上也有體現(xiàn)。眾所周知，在南極是看不到樹木的，中國(guó)南極長(zhǎng)城站（南緯62°，還未進(jìn)南極圈）經(jīng)常看到的綠植是苔蘚和地衣，在更靠南的南極中山站（南緯69°）只能看見地上稍微有些綠。

北極挪威通索（北緯69°）生長(zhǎng)的大樹（攝影：陸龍驊）

南極中山站（南緯69°）的植物（攝影：陸龍驊）

而在與中山站（南緯69°）緯度相當(dāng)?shù)呐餐ㄋ鳎ū本?9o）卻還有大樹。

在南極（南緯76o），不論冬夏到處都是冰天雪地，而在中國(guó)北極黃河站所在的斯瓦爾巴（即使到了北緯78°~79o），到了夏季，那里水草豐美，鮮花盛開，你不但也可以看到“樹”（趴在地上長(zhǎng)的樺樹和身高不足10厘米的柳木），而且像潔白的北極棉、虎耳草、仙女木等也都在北極短暫的夏季競(jìng)相開放。當(dāng)然，還有品種繁多的多年開花草本植物。如果你足夠幸運(yùn)，你還可以在北極苔原上看到蒼蠅和蚊子，這么說(shuō)來(lái)，北極相對(duì)于南極，可以說(shuō)是更加生機(jī)盎然了。

南極為什么會(huì)出現(xiàn)臭氧洞？

南極臭氧洞的出現(xiàn)與人類活動(dòng)關(guān)系密切。近40年來(lái)，南極每年春季都出現(xiàn)臭氧洞，而北極春季很難出現(xiàn)臭氧洞的原因，竟與南極比北極冷有關(guān)。

在春季，由于南極地區(qū)臭氧總量急劇減少，會(huì)出現(xiàn)低于全球平均值30%~40%的閉合低值區(qū)，通常這個(gè)值設(shè)定為220DU（多布森單位），與周圍地區(qū)相比，就顯得南極洲上空出現(xiàn)一個(gè)臭氧低值的“空洞”，這就是南極臭氧洞。南極臭氧洞并不是全年都存在的，只在南極春季出現(xiàn)。通常南極臭氧在7月下旬開始減少，8月中旬后就出現(xiàn)較為明顯的臭氧洞，9月下旬到10月上旬臭氧空洞的面積最大，10月底后臭氧急劇增加，臭氧洞填塞，12月中旬恢復(fù)正常，就不再有臭氧洞了。南極臭氧洞的強(qiáng)度和范圍時(shí)大時(shí)小，每年都有變化，因此“空洞”中的最低值也是波動(dòng)的。

臭氧洞的形成需要滿足2個(gè)必要條件：大氣中存在有人類活動(dòng)排放的氟利昂和溴化烴等消耗臭氧層物質(zhì)（人為因素），這是春季南極臭氧洞形成的一個(gè)必要條件；而春季南極平流層極渦中較長(zhǎng)時(shí)間的低溫（自然因素），則是南極春季臭氧洞形成的又一必要條件。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件，在平流層極渦中低溫（溫度低于-78℃）條件下形成的冰晶云或液態(tài)硫酸氣溶膠表面，吸附了大氣污染物質(zhì)，才能在極夜結(jié)束后，太陽(yáng)再次照耀南極時(shí)，激發(fā)氯和溴的活性，通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)大量消耗臭氧，在南極春季形成臭氧洞。也就是說(shuō)，只有這兩個(gè)必要條件結(jié)合起來(lái)，才是形成臭氧洞的充分必要條件。

在南極，冬季平流層極渦的溫度很低，通常在極夜結(jié)束后的春季，低溫尚能維持一段時(shí)間，有利于臭氧洞的形成，也正是由于平流層溫度、極渦強(qiáng)度和位置的變化，造成了各年南極臭氧洞強(qiáng)度和范圍的變化。

北極居然也出現(xiàn)了臭氧洞？

北極更加接近人類活動(dòng)的地區(qū)，北極大氣中污染物的濃度也比較高，與南半球相比污染也更為嚴(yán)重；但由于南北兩半球海陸分布和南北極下墊面差異等，對(duì)氣候和大氣環(huán)流也有很大影響。無(wú)論冬、春，北極平流層極渦中溫度都比南極高，特別進(jìn)入春季以后北極極渦很快崩潰導(dǎo)致溫度升高。春季，當(dāng)極夜結(jié)束后太陽(yáng)光再次照耀北極地區(qū)時(shí)，北極平流層極渦中的溫度大都在-78℃以上，很難滿足形成平流層冰晶云的必要條件，加之在春季，北極地區(qū)臭氧總量通常為400~500DU（多布森單位）的高值區(qū)，故2019年以前，北極春季沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)臭氧洞。正是北極平流層春季溫度高于南極，北極比南極暖，導(dǎo)致北極春季很難出現(xiàn)臭氧洞。

在1997年、2011年和2020年的春季，春季平流層極地渦旋中溫度異常偏低，大氣臭氧的化學(xué)虧損嚴(yán)重，出現(xiàn)了閉合的低值區(qū)，只是1997年和2011年最低值未達(dá)到出現(xiàn)臭氧洞的標(biāo)準(zhǔn)。而2020年由于北極地區(qū)大氣環(huán)流異常，春季平流層極渦中溫度持續(xù)偏低，平流層冰晶云面積也創(chuàng)新高，臭氧的化學(xué)損耗更大，低值低于220DU（多布森單位），故而首次出現(xiàn)了臭氧洞。

在目前大氣環(huán)境被污染的情況下，南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞是否出現(xiàn)，取決于南北兩極春季平流層極渦及其低溫狀態(tài)的變化。2020年春，首個(gè)北極臭氧洞出現(xiàn)與春季平流層極渦的持續(xù)低溫有關(guān)，是由大氣環(huán)流等自然因素引起的，并無(wú)環(huán)境指示意義。

盡管我們對(duì)南極和北極的認(rèn)識(shí)還停留在觀察和摸索階段，但為了盡可能地留住地球上最后一片凈土，也為了人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我們對(duì)于南極和北極的每一個(gè)改變，都需要懷著對(duì)地球母親的敬畏之心。

作者：陸龍驊（中國(guó)氣象科學(xué)研究院）

責(zé)任編輯：張鵬輝