1.臭氧層空洞的形成機制

臭氧層空洞（Ozone Hole）又稱臭氧洞，是指地球大氣上空平流層中的臭氧含量從1970年開始以每十年4%的速度遞減，以至於南極洲等部分地區的臭氧層變薄甚至出現孔洞的現象。在南北兩極地區的春夏季節，臭氧含量的遞減速度甚至會超過每十年4%，尤其是在春季時，連對流層中的臭氧含量也會急劇減少。

關於臭氧層空洞的成因，目前人們普遍認為是由於化學物質的過量排放致使臭氧含量減少和南北極地區特殊的氣候原因共同造成的。其中大氣中臭氧被過量消耗的主要原因是氯化物和溴化物對臭氧分解的催化作用。這些氯化物和溴化物的主要來源是地面洩漏到大氣中的氟氯烴（CFC），也就是舊式冰箱和空調中常用的製冷劑：氟利昂。

在臭氧層中，有三種氧的同素異形體參與迴圈：氧原子（O）、氧氣分子（O2）、和臭氧（O3）。其中，一個氧氣分子在波長小於240nm的紫外線的光解下生成兩個氧原子，每個氧原子會和一個氧氣分子組合成一個臭氧分子。而一個臭氧分子在波長為200-310nm的紫外線的照射下，又會分解為一個氧氣分子和一個氧原子，最終一個氧原子與一個臭氧分子會結合形成兩個氧氣分子。平流層中的臭氧總量就取決於以上的光化學過程。

但是，在有紫外線照射的環境下，臭氧會被一些物質催化大量形成氧氣而消失，這些催化物質既有自然生成的，也有人為造成的。催化物質中的氫氧基和一氧化氮是自然生成的，而氯原子和溴原子則是由於人類活動而產生的，主要來自氟氯烴和氟利昂等一些人造物質。這些物質比較穩定，釋放到大氣中不會分解，但當這些物質到達平流層時，在平流層強烈的紫外線的作用下則會分解成為遊離狀態的氯原子和溴原子，極大的加速了臭氧的轉化。

所以，造成大氣層中臭氧含量下降的主要因素來源於含有氯原子的氣體，這些鹵素原子在氣相條件下起到促使臭氧分解的催化劑作用，但如果這些氣體蔓延到極地雲層中，在液相狀態下則會更明顯的促進其催化作用。在冬季，由於沒有陽光，所以在極地雲層中並不會發生化學反應。而一旦春季陽光出現，雲層中的冰融化，上述的一系列化學反應便會迅速發生，釋放大量的氯原子破壞臭氧層。直到12月末，極地渦旋崩潰導致極地雲層消失，平流層下層上升氣流便會帶去大量的臭氧分子，使臭氧層空洞得到填補，而這也是兩極地區上空臭氧層空洞的面積隨著極地氣候變化而呈週期性變化的原因。

所以，在極地的特殊氣候和人類無節制的向大氣中排放氟利昂等化學物質的雙重作用下，南極地區的臭氧層往往會在春季和夏季迅速減薄，最終出現巨大的臭氧層空洞。

2.臭氧層空洞近20年變化規律
從1970年開始，根據臭氧總量衛星觀測儀器（TMOS)的測量，發現南極地區的臭氧層在春季和初夏季迅速減薄。在1976年，美國國家科學院的報告肯定了對臭氧層被氟利昂等化學物質破壞的假設。1985年，由於突然發現了南極上空的臭氧層空洞，引起了媒體很大的反響，也逐漸的引起了人們的重視。
隨著1985年20國簽訂了保護臭氧層維也納公約，1987年43個國家簽訂了蒙特利爾議定書，氟利昂等製冷劑的生產和使用在逐步減少。所以隨著蒙特利爾議定書的嚴格執行，破壞臭氧層的氣體釋放趨勢也得到了緩解。臭氧層的面積經過了1994年的峰值之後，一直是下降趨勢，但由於之前的破壞嚴重，南極臭氧層空洞被全部修復最早也要到2050年才能實現，到2024年才可能測定出臭氧層的恢復情況，到2068年才有可能恢復到1980年的水平。

而進入21世紀之後，由於氟利昂等化學物質被徹底禁止，南極上空臭氧層空洞的面積一直在縮小，而在去年更是達到了近30年中的最小面積。但由於氟利昂在大氣中的累積量龐大，且穩定不易分解，所以臭氧層被消耗的過程仍然會持續一段時間。聯合國環境署在2010年的報告中描述說：“在過去的十年間（2000-2010），全球和南極地區的臭氧層沒有被繼續消耗但也沒有增加，在本世紀中葉極地的臭氧層有望恢復到1980年以前的狀態，不過南極春季臭氧層空洞的恢復還要更慢。”

下圖就是1979年到2017年全球臭氧層空洞的最大面積和平均面積。可以看出，從1979年到2000年，由於氟利昂的大量使用，導致全球臭氧層空洞的面積快速上升，並在1994年達到頂峰。2000年到2010年，儘管氟利昂的使用已經被禁止，但由於氟利昂化學性質穩定且在大氣中積累過多，這段時間內全球臭氧層空洞的總面積基本維持在一個平衡的狀態，在2010年之後，維也納公約和蒙特利爾協定書的執行終於看到了顯著的效果，全球臭氧層空洞的面積正在在緩慢下降。

同時，在圖中也可以觀察到極地的特殊氣候對全球臭氧層空洞面積的影響。例如，在2004年，由於南極平流層底層的平均溫度比往年相對較高，當年臭氧層空洞的結束要比往年早且南極地區的臭氧層空洞的面積也急劇減少。

圖 1南極臭氧層空洞面積