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NO.2422-臭氧空洞正在變小

作者：小凱

校稿：朝乾 / 編輯：果栗乘

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(guò)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(wèn)題。

報(bào)告指出臭氧層有望在四十年內(nèi)恢復(fù)

（2022年臭氧消耗科學(xué)評(píng)估報(bào)告 圖：unric.org）▼

勝利的曙光來(lái)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

（圖：WMO）▼

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(kāi)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(méi)有進(jìn)行任何測(cè)量。

戈登·多布森使用的原始臭氧光譜儀

（圖：Science Museum Group）▼

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(kāi)展長(zhǎng)期的大氣觀測(cè)。當(dāng)時(shí)沒(méi)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(lái)臭氧空洞的年度最大范圍

（圖：CAMS ）▼

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 (CFC) 氣體（即我們常說(shuō)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

（圖：NASA）▼

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（也就是現(xiàn)在的27年之后）減少30-50%。

如果氯氟烴沒(méi)有被禁止

NASA 對(duì)平流層臭氧濃度的預(yù)測(cè)

（圖：NASA）▼

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(guò)程示意圖

（圖：Eva Rawlings Parker）▼

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(guò)140萬(wàn)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(shuō)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

（圖：WMO&NOAA）▼

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(lái)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（9、10、11月）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(kāi)始

大氣臭氧含量急劇下降

（1956-2022年南極測(cè)得大氣臭氧總量 圖：NASA）▼

這些數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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)（ODS）的管控，以應(yīng)對(duì)臭氧層空洞問(wèn)題。

（《蒙特利爾議定書》的締約方 圖：wiki）▼

這里需要說(shuō)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(guò)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(wú)一利

（圖：twitter@MBRSpaceCentre）▼

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(guò)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(lái)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

（圖：國(guó)家氣候中心）▼

全球變暖其實(shí)是指 “從長(zhǎng)期來(lái)看，全球地表平均溫度在工業(yè)革命以來(lái)越來(lái)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(guò)去40年來(lái)沒(méi)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（圖：NASA）▼

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(從下到上)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)

（圖：IPCC）▼

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

（圖：NOAA）▼

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

溫度的改變帶來(lái)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(tīng)到的“極地渦旋”。要注意的是，這里所說(shuō)的西風(fēng)在平流層，并非我們一般聽(tīng)到的對(duì)流層西風(fēng)帶。

去年年底的極地渦旋

帶來(lái)的寒潮自西向東橫掃美國(guó)

（2022年12月22日 500hPa 圖：中央氣象臺(tái)）▼

對(duì)流層西風(fēng)帶和平流層西風(fēng)

（緯向平均緯向風(fēng)-平流層視角 圖：ECMWF）▼

南極臭氧空洞形成后，在南半球的春季（9、10、11月）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(lái)，極地溫度相比沒(méi)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)?，平流層的溫度、氣壓和風(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(guò)較為復(fù)雜的過(guò)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)（地面）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(lái)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?lái)更多的降雨，而原本濕潤(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(lái)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(guò)影響風(fēng)場(chǎng)來(lái)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“?？寺斔汀薄?/p>

?？寺斔褪疽猓▓D：wiki）▼

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(kāi)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(yáng)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(guò)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(guò)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

（圖：NOAA）▼

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(méi)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

（圖：NASA）▼

正在恢復(fù)的臭氧層

自從《蒙特利爾議定書》執(zhí)行以來(lái)，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(lái)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(guò)植樹(shù)造林來(lái)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(lái)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(lái)才能知道答案。

不能停止對(duì)地球環(huán)境保護(hù)的努力呀

（圖：PBS.org）▼

雖然臭氧問(wèn)題的前景并非十分明朗，但毋庸置疑的是，人類通過(guò)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？

上下滑動(dòng)查看參考資料：

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*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識(shí)局立場(chǎng)

封面：壹圖網(wǎng)

END

原標(biāo)題：《逆轉(zhuǎn)了，臭氧空洞正在變?。　?/p>

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