今年 1 月 9 日，世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境署發(fā)布新聞稱，如果保持現(xiàn)行舉措，南極臭氧空洞將在 2066 年恢復(fù)到 1980 年的水平。屆時(shí)，人類將首次通過緊密的國(guó)際合作，解決一個(gè)攸關(guān)文明存續(xù)的重大環(huán)境問題。

報(bào)告指出臭氧層有望在四十年內(nèi)恢復(fù)

▼

勝利的曙光來之不易，它的背后則是一段充滿偶然的曲折歷史。

南極臭氧空洞

大氣中 90% 的臭氧都集中在 10-50 公里高的平流層，遠(yuǎn)高于我們熟知的西風(fēng)帶高度，這里空氣稀薄，臭氧的總量只相當(dāng)于常溫常壓下 5 毫米厚的一層氣體。

臭氧分子在大氣中的相對(duì)豐度較低

在平流層中通常每十億個(gè)空氣分子只有幾千個(gè)臭氧分子

▼

人類對(duì)大氣中臭氧含量的定期觀測(cè)始于上世紀(jì) 20 年代，英國(guó)牛津大學(xué)的研究員戈登?多布森組織世界各地的科學(xué)家在美國(guó)、埃及、印度、蘇聯(lián)，甚至北極圈內(nèi)的斯匹次卑爾根群島等地開展定期觀測(cè)。但對(duì)于那個(gè)被幾公里厚的冰蓋覆蓋的極寒之地 —— 南極，彼時(shí)卻沒有進(jìn)行任何測(cè)量。

戈登?多布森使用的原始臭氧光譜儀

▼

二戰(zhàn)后，英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的探險(xiǎn)隊(duì)在南極布倫特冰架上建立了哈雷考察站，開展長(zhǎng)期的大氣觀測(cè)。當(dāng)時(shí)沒人能想到，這里的每一條臭氧記錄將在三十多年后震驚世界，徹底顛覆人們對(duì)人與自然關(guān)系的認(rèn)知。

橫屏 — 自 1979 年以來臭氧空洞的年度最大范圍

▼

1974 年，美國(guó)人馬里奧?莫利納和舍伍德?羅蘭在《自然》雜志上發(fā)表文章，提出氯氟烴 氣體(即我們常說的氟利昂)對(duì)臭氧層構(gòu)成威脅。他們認(rèn)識(shí)到，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定的氯氟烴擴(kuò)散到臭氧層后，會(huì)在紫外輻射下分解出氯原子，而氯原子是臭氧分解的高效催化劑。

氯原子被認(rèn)為是臭氧破壞的催化劑是因?yàn)?/p>

每次反應(yīng)循環(huán)完成時(shí) Cl 和 ClO 都會(huì)重新形成

從而進(jìn)一步破壞臭氧

▼

根據(jù)他們的預(yù)估，如果氯氟烴按照當(dāng)時(shí) 10% 的年增長(zhǎng)率繼續(xù)生產(chǎn)，那么大氣中的臭氧將會(huì)在 20 年之后減少 5-7%，并且將會(huì)在 75 年之后減少 30-50%。

如果氯氟烴沒有被禁止

NASA 對(duì)平流層臭氧濃度的預(yù)測(cè)

▼

屆時(shí)，大量紫外輻射可以直接到達(dá)地面，很多人會(huì)因此患上皮膚癌或白內(nèi)障，同時(shí)平流層的溫度還會(huì)顯著降低，可能會(huì)造成破壞性的氣候變化。

光致癌發(fā)生的多步驟過程示意圖

▼

彼時(shí)，科學(xué)家、工業(yè)界和決策者之間產(chǎn)生了巨大的分歧。全美價(jià)值 80 億美元的氯氟烴產(chǎn)業(yè)或直接或間接地雇傭了超過 140 萬勞動(dòng)者。行業(yè)龍頭們大多拒絕放棄使用氯氟烴，他們不僅游說政府部門延緩或者放棄禁止氯氟烴的計(jì)劃，還試圖利用媒體獲得大眾的支持，這讓氯氟烴在十年內(nèi)仍保持大量生產(chǎn)。

在 20 世紀(jì)的后二十年間

大氣中氯氟烴的濃度不降反升

▼

直到 1985 年，英國(guó)南極調(diào)查局的大氣科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了讓全世界震驚的發(fā)現(xiàn)。他們分析了哈雷站自 1956 年建站以來收集到的大氣臭氧的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)南極哈雷灣上空大氣中春季的臭氧總量在 1977-1984 年間減少了 40% 以上，在此之前的臭氧總量幾乎保持不變。

哈雷考察站數(shù)據(jù)顯示從 20 世紀(jì) 80 年代開始

大氣臭氧含量急劇下降

▼

這些數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過莫利納和羅蘭的預(yù)估，相當(dāng)于實(shí)錘了氯氟烴對(duì)臭氧層的殺傷力。一石激起千層浪，科學(xué)界掀起了大氣臭氧化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究熱潮。理論和觀測(cè)同時(shí)證明了人類對(duì)自然具有超乎想象的破壞力。

氯氟烴之罪禍再難遁形。在全社會(huì)的努力下，1987 年，國(guó)際社會(huì)簽署《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，加強(qiáng)對(duì)消耗臭氧層物質(zhì)的管控，以應(yīng)對(duì)臭氧層空洞問題。

▼

這里需要說明的是，所謂消耗臭氧物質(zhì)，不僅包含氯氟烴這種直接破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)，也包含鹵代烴、哈龍和甲基溴等化合物。它們?cè)谄搅鲗又惺艿阶贤饩€的照射后，可以分解出氯自由基或溴自由基，進(jìn)一步與臭氧發(fā)生復(fù)雜的連鎖反應(yīng)，從而破壞臭氧層。

平流層中存在的含鹵素氣體可分為

鹵素源氣體和活性鹵素氣體 ▼

臭氧損耗改變地球氣候？

經(jīng)過科學(xué)界多年的研究，臭氧層對(duì)地球生態(tài)系統(tǒng)的影響已經(jīng)得到證明，其重要性早已深入人心。平流層臭氧損耗后，動(dòng)物皮膚和植物表皮會(huì)暴露在高強(qiáng)度的紫外輻射下，遺傳物質(zhì)受到損害，癌變率增加，植物生長(zhǎng)節(jié)律紊亂，甚至出現(xiàn)畸形發(fā)育。

臭氧層破損，百害而無一利

▼

近些年，隨著人們對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)逐漸深入，臭氧損耗的氣候效應(yīng)也得到廣泛研究。人們發(fā)現(xiàn)平流層正在發(fā)生的化學(xué)變化，正在通過意想不到的方式改變著地球氣候。

去年我國(guó)經(jīng)歷了 1961 年以來的最熱夏天，人們對(duì)于全球變暖的擔(dān)憂再一次沖到頂點(diǎn)。但全球變暖只是對(duì)氣候變化的一種簡(jiǎn)單表述。

熱天更熱，是全球變暖對(duì)氣候變化的影響之一

▼

全球變暖其實(shí)是指 “從長(zhǎng)期來看，全球地表平均溫度在工業(yè)革命以來越來越高”，而溫度的增加在時(shí)間上并不是持續(xù)的，在空間上也不是均勻的。從時(shí)間上看，我們經(jīng)歷了 1998-2012 年所謂的“全球變暖停滯”，在空間上看，全球很多區(qū)域的地表溫度在過去 40 年來沒有顯著變化，甚至還減小了不少。

全球變暖的概念是立足于較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的 ▼

動(dòng)圖感受一下▼

如果從垂直方向上觀察溫度變化，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)各層大氣的溫度并不都是增加的。研究表明，全球平流層的中高層正在以每十年大約 0.6℃的速度降溫，而臭氧和消耗臭氧物質(zhì)是主要的幕后推手之一。

對(duì)流層中部至平流層上部 的

全球?qū)拰悠骄鶞囟犬惓５臅r(shí)間序列 ▼

臭氧能把吸收的紫外輻射轉(zhuǎn)化為分子動(dòng)能，從而加熱平流層，而且是越高的地方越熱，這與對(duì)流層海拔越高就越冷的生活經(jīng)驗(yàn)不同。

而當(dāng)臭氧損耗后，更多的紫外輻射直接穿透了平流層，導(dǎo)致平流層的溫度下降。

1981 至 2020 年 40 年地表溫度趨勢(shì)

▼

大氣的溫度、氣壓、風(fēng)、濕度等這些特性是耦合在一起的，溫度的變化常常會(huì)引起其他特性的變化，進(jìn)而造成平流層大氣環(huán)流的異常。

一般而言，平流層因臭氧吸收了大量的紫外輻射而大幅度升溫。但這一規(guī)律卻在一種情況下不成立，那就是南北極的極夜。

南極的極夜和南極光

▼

極夜期間由于缺乏太陽光照射，平流層不再通過吸收輻射升溫，而是通過發(fā)出輻射冷卻，導(dǎo)致溫度急劇下降，從而拉開了與中緯度平流層的溫差。

溫度的改變帶來風(fēng)場(chǎng)的變化，圍繞著極地形成了強(qiáng)烈的西風(fēng)，西風(fēng)又牢牢地禁錮住極地的冷空氣。這就形成了我們常聽到的“極地渦旋”。要注意的是，這里所說的西風(fēng)在平流層，并非我們一般聽到的對(duì)流層西風(fēng)帶。

去年年底的極地渦旋

帶來的寒潮自西向東橫掃美國(guó)

▼

對(duì)流層西風(fēng)帶和平流層西風(fēng)

▼

南極臭氧空洞形成后，在南半球的春季時(shí)，南極剛剛從極夜中走出，此時(shí)臭氧的輻射效應(yīng)顯現(xiàn)出來，極地溫度相比沒有臭氧空洞時(shí)大幅下降，這就導(dǎo)致因冷而生的極地渦旋增強(qiáng)，環(huán)繞南極的西風(fēng)也更加迅猛。

臭氧空洞的影響并不僅限于平流層，也在很大程度上影響到對(duì)流層的天氣變化。

這是因?yàn)椋搅鲗拥臏囟取鈮汉惋L(fēng)場(chǎng)的變化會(huì)以波的形式向?qū)α鲗觽鬏斝盘?hào)，從而改變對(duì)流層內(nèi)熱量和動(dòng)量的水平輸送。總之，經(jīng)過較為復(fù)雜的過程，平流層的異常信號(hào)可以在大約半個(gè)月之后到達(dá)對(duì)流層，并在之后的一兩個(gè)月中持續(xù)影響地面天氣。

而臭氧空洞造成的平流層西風(fēng)增強(qiáng)，可以造成地面氣壓的降低和環(huán)繞南極大陸西風(fēng)的加速。歷史資料統(tǒng)計(jì)表明，西風(fēng)增強(qiáng)的同時(shí)往往伴隨著向極地的收縮，從而導(dǎo)致對(duì)流層的三圈環(huán)流 (哈德來環(huán)流、費(fèi)雷爾環(huán)流和極地環(huán)流) 也隨之向南極移動(dòng)。

這一作用顯著體現(xiàn)在南半球的降水變化中。在南半球夏季，原本位于三圈環(huán)流下沉支的區(qū)域?qū)⒂瓉砀嗟慕涤辏緷駶?rùn)的地區(qū)則會(huì)容易被干燥的下沉氣流占據(jù)。南極臭氧損耗會(huì)引發(fā)的南半球環(huán)流向南移動(dòng)，是它最重要的氣候效應(yīng)。

臭氧造成的南半球環(huán)流變化 ▼

上圖是氣象觀測(cè)的降水變化

下圖是計(jì)算機(jī)模擬的臭氧的影響 ▼

地球氣候系統(tǒng)十分復(fù)雜，往往牽一發(fā)而動(dòng)全身。臭氧的變化還可以影響海水表面溫度和極地海冰，間接造成氣候變化。新的證據(jù)表明，臭氧的損耗很有可能與溫室氣體一同導(dǎo)致了 1950 年以來南大洋海水表面溫度的升高。但溫室氣體占據(jù)了主導(dǎo)作用。

臭氧對(duì)于海溫的影響是通過影響風(fēng)場(chǎng)來是實(shí)現(xiàn)的。南大洋上的西風(fēng)帶一邊帶動(dòng)海水自西向東運(yùn)動(dòng)，一邊也將表層的海水從極地吹向赤道。東西風(fēng)向的風(fēng)可以造成南北方向的海水運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為“埃克曼輸送”。

埃克曼輸送示意▼

由于臭氧的損耗加強(qiáng)了西風(fēng)，南大洋上更多的表層海水離開原地，下層較為溫暖的海水涌上表面，海表面溫度也會(huì)上升。海面的增暖可能會(huì)造成漂浮在南極周圍的海冰加速融化，南極海冰可能會(huì)進(jìn)一步減少。

極地的海冰可以強(qiáng)烈反射太陽輻射，對(duì)地球的能量平衡調(diào)節(jié)作用顯著。但是南極海冰在過去四十年中呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化。在 2015 年之前，南極夏季海冰具有擴(kuò)張趨勢(shì)，但是在 2016 年之后迅速縮小。目前的氣候模式難以模擬這樣的變化，因此臭氧對(duì)于南極海冰的影響難以得到證明。

在過去十年中，2 月的夏季最低值變化極大

既觸及歷史高點(diǎn)又觸及歷史低點(diǎn) ▼

2022 年 2 月南極海冰平均濃度

該月海冰達(dá)到夏季最小范圍

▼

而北極的情況又有所不同，北半球大陸面積廣，人口眾多，北極的海冰又與北半球寒潮天氣緊密相關(guān)。從長(zhǎng)期上看，北極的臭氧損耗還沒有對(duì)北極海冰造成長(zhǎng)期持續(xù)的影響。但是有研究表明，在北極臭氧損耗比較嚴(yán)重的年份，北極喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海的海冰顯著減少。

不管是南極還是北極

海冰減少都不是件好事

▼

正在恢復(fù)的臭氧層

自從《蒙特利爾議定書》執(zhí)行以來，全球已經(jīng)淘汰了 99% 的消耗臭氧物質(zhì)，臭氧層也有望在本世紀(jì)內(nèi)恢復(fù)到 1980 年的狀況。

美國(guó)氣象學(xué)家安塔拉?班納吉等人的研究指出，正是由于《議定書》的影響，目前南極臭氧空洞引起的大氣環(huán)流變化已經(jīng)停止。

臭氧層的演變路徑 ▼

隨著臭氧層恢復(fù)，由臭氧損耗引起的大氣環(huán)流變化在未來可能得到補(bǔ)償。但作為南半球極渦變化的另一推手，溫室氣體在本世紀(jì)很可能繼續(xù)增加。因此科學(xué)家預(yù)估，南半球極渦變化的恢復(fù)可能直到在本世紀(jì)末才能實(shí)現(xiàn)。

消耗臭氧物質(zhì)同時(shí)也是重要的溫室氣體，例如一氟三氯甲烷引起的大氣增暖效應(yīng)，是同等質(zhì)量二氧化碳的 5160 倍。如果人類繼續(xù)忠實(shí)地履行《蒙特利爾協(xié)定》，那么由于消耗臭氧物質(zhì)的減少，到本世紀(jì)中期，全球變暖將減少 0.5~1℃，其意義不亞于通過植樹造林來減緩氣候變化。

消耗臭氧層物質(zhì)和臭氧時(shí)間表 ▼

如今，《蒙特利爾議定書》的氣候效應(yīng)才剛剛顯現(xiàn)，未來臭氧層的恢復(fù)能否完全逆轉(zhuǎn)臭氧損耗造成的氣候變化，或許只有等到未來才能知道答案。

不能停止對(duì)地球環(huán)境保護(hù)的努力呀

▼

雖然臭氧問題的前景并非十分明朗，但毋庸置疑的是，人類通過團(tuán)結(jié)協(xié)作避免了一場(chǎng)人類文明的重大災(zāi)難。人類在臭氧治理上已取得階段性重要成，對(duì)溫室氣體排放的成功治理還會(huì)遠(yuǎn)嗎？

參考資料:

• F. S. Rowland, “Stratospheric ozone depletion,” Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, vol. 361, no. 1469, pp. 769–790, 2006.

• 艾寶勤，胡其圖 and 郭奕玲，“法布里－珀羅干涉儀的發(fā)明，” 物理，no. 09, pp. 573–577, 1994.

• G. M. B. Dobson, “Forty Years’ Research on Atmospheric Ozone at Oxford: a History,” Appl. Opt., vol. 7, no. 3, pp. 387–405, Mar. 1968, doi: 10.1364/AO.7.000387.

• J. C. Farman, B. G. Gardiner, and J. D. Shanklin, “Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction,” Nature, vol. 315, no. 6016, pp. 207–210, May 1985, doi: 10.1038/315207a0.

• World Meteorological Organization, “Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022.”

• M. P. Baldwin and T. J. Dunkerton, “Stratospheric Harbingers of Anomalous Weather Regimes,” Science, vol. 294, no. 5542, pp. 581–584, Oct. 2001, doi: 10.1126/science.1063315.

• S. M. Kang, L. M. Polvani, J. C. Fyfe, and M. Sigmond, “Impact of Polar Ozone Depletion on Subtropical Precipitation,”Science, vol. 332, no. 6032, pp. 951–954, May 2011, doi: 10.1126/science.1202131.

• S. B. Feldstein, “Subtropical Rainfall and the Antarctic Ozone Hole,” Science, vol. 332, no. 6032, pp. 925–926, May 2011, doi: 10.1126/science.1206834.

• J. Zhang et al., “Responses of Arctic sea ice to stratospheric ozone depletion,” Science Bulletin, vol. 67, no. 11, pp. 1182–1190, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.scib.2022.03.015.

鄭重聲明：此文內(nèi)容為本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載企業(yè)宣傳資訊，目的在于傳播更多信息，與本站立場(chǎng)無關(guān)。僅供讀者參考，并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。