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NO.2422-臭氧空泛正在变小

作者：小凯

校稿：朝乾 / 编辑：果栗乘

今年1月9日，世界气候组织和分离国环境署发布新闻称，假如坚持现行举措，南极臭氧空泛将在2066年恢复到1980年的水平。届时，人类将初次经过紧密的国际协作，处置一个攸关文化存续的严重环境问题。

讲演指出臭氧层有望在四十年内恢复

（2022年臭氧耗费科学评价讲演 图：unric.org）▼

胜利的曙光来之不易，它的背地则是一段充溢偶尔的迂回历史。

南极臭氧空泛

大气中90%的臭氧都集中在10-50公里高的平流层，远高于我们熟知的西风带高度，这里空气稀薄，臭氧的总量只相当于常温常压下5毫米厚的一层气体。

臭氧分子在大气中的相对丰度较低

在平流层中通常每十亿个空气分子只需几千个臭氧分子

（图：WMO）▼

人类对大气中臭氧含量的定期观测始于上世纪20年代，英国牛津大学的研讨员戈登·多布森组织世界各地的科学家在美国、埃及、印度、苏联，以至北极圈内的斯匹次卑尔根群岛等地展开定期观测。但关于那个被几公里厚的冰盖掩盖的极寒之地——南极，彼时却没有中止任何丈量。

戈登·多布森运用的原始臭氧光谱仪

（图：Science Museum Group）▼

二战后，英国皇家学会的探险队在南极布伦特冰架上树立了哈雷调查站，展开长期的大气观测。当时没人能想到，这里的每一条臭氧记载将在三十多年后震惊世界，彻底推翻人们对人与自然关系的认知。

横屏—自1979年以来臭氧空泛的年度最大范围

（图：CAMS ）▼

1974年，美国人马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰在《自然》杂志上发表文章，提出氯氟烃 (CFC) 气体（即我们常说的氟利昂）对臭氧层构成要挟。他们认识到，化学性质十分稳定的氯氟烃扩散到臭氧层后，会在紫外辐射下合成出氯原子，而氯原子是臭氧合成的高效催化剂。

氯原子被以为是臭氧破坏的催化剂是由于

每次反响循环完成时Cl和ClO都会重新构成

从而进一步破坏臭氧

（图：NASA）▼

依据他们的预估，假如氯氟烃依照当时10%的年增长率继续消费，那么大气中的臭氧将会在20年之后减少5-7%，并且将会在75年之后（也就是往常的27年之后）减少30-50%。

假如氯氟烃没有被遏止

NASA 对平流层臭氧浓度的预测

（图：NASA）▼

届时，大量紫外辐射能够直接抵达空中，很多人会因而患上皮肤癌或白内障，同时平流层的温度还会显著降低，可能会构成破坏性的气候变更。

光致癌发作的多步骤过程表示图

（图：Eva Rawlings Parker）▼

彼时，科学家、工业界和决策者之间产生了庞大的分歧。全美价值80亿美圆的氯氟烃产业或直接或间接地雇佣了超越140万劳动者。行业龙头们大多拒绝放弃运用氯氟烃，他们不只游说政府部门延缓或者放弃遏止氯氟烃的计划，还试图应用媒体取得大众的支持，这让氯氟烃在十年内仍坚持大量消费。

在20世纪的后二十年间

大气中氯氟烃的浓度不降反升

（图：WMO&NOAA）▼

直到1985年，英国南极调查局的大气科学家在《自然》杂志上发表了让全世界震惊的发现。他们剖析了哈雷站自1956年建站以来搜集到的大气臭氧的观测资料，发现南极哈雷湾上空大气中春季（9、10、11月）的臭氧总量在1977-1984年间减少了40%以上，在此之前的臭氧总量简直坚持不变。

哈雷调查站数据显现从20世纪80年代开端

大气臭氧含量急剧降落

（1956-2022年南极测得大气臭氧总量 图：NASA）▼

这些数字远远超越莫利纳和罗兰的预估，相当于实锤了氯氟烃对臭氧层的杀伤力。一石激起千层浪，科学界掀起了大气臭氧化学和动力学的研讨热潮。理论和观测同时证明了人类对自然具有超乎想象的破坏力。

氯氟烃之罪祸再难遁形。在全社会的努力下，1987年，国际社会签署《关于耗费臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，增强抵耗费臭氧层物质（ODS）的管控，以应对臭氧层空泛问题。

（《蒙特利尔议定书》的缔约方 图：wiki）▼

这里需求阐明的是，所谓耗费臭氧物质，不只包含氯氟烃这种直接破坏臭氧层的化学物质，也包含卤代烃、哈龙和甲基溴等化合物。它们在平流层中遭到紫外线的映照后，能够合成出氯自由基或溴自由基，进一步与臭氧发作复杂的连锁反响，从而破坏臭氧层。

平流层中存在的含卤素气体可分为

卤素源气体和活性卤素气体▼

臭氧损耗改动地球气候？

经过科学界多年的研讨，臭氧层对地球生态系统的影响曾经得到证明，其重要性早已深化人心。平流层臭氧损耗后，动物皮肤和植物表皮会裸露在高强度的紫外辐射下，遗传物质遭到损伤，癌变率增加，植物生长节律紊乱，以至呈现畸形发育。

臭氧层破损，百害而无一利

（图：twitter@MBRSpaceCentre）▼

近些年，随着人们对气候变更的认识逐步深化，臭氧损耗的气候效应也得到普遍研讨。人们发现平流层正在发作的化学变更，正在经过意想不到的方式改动着地球气候。

去年我国阅历了1961年以来的最热夏天，人们关于全球变暖的担忧再一次冲到顶点。但全球变暖只是对气候变更的一种简单表述。

热天更热，是全球变暖对气候变更的影响之一

（图：国度气候中心）▼

全球变暖其实是指 “从长期来看，全球地表平均温度在工业反动以来越来越高”，而温度的增加在时间上并不是持续的，在空间上也不是平均的。从时间上看，我们阅历了1998-2012年所谓的“全球变暖停滞”，在空间上看，全球很多区域的地表温度在过去40年来没有显著变更，以至还减小了不少。

全球变暖的概念是立足于较长时间尺度上的▼

动图感受一下（图：NASA）▼

假如从垂直方向上察看温度变更，我们就会发现各层大气的温度并不都是增加的。研讨表明，全球平流层的中高层正在以每十年大约0.6℃的速度降温，而臭氧和耗费臭氧物质是主要的幕后推手之一。

对流层中部至平流层上部(从下到上)的

全球宽层平均温度异常的时间序列▼

臭氧能把吸收的紫外辐射转化为分子动能，从而加热平流层，而且是越高的中央越热，这与对流层海拔越高就越冷的生活阅历不同。

而当臭氧损耗后，更多的紫外辐射直接穿透了平流层，招致平流层的温度降落。

1981至2020年40年地表温度趋向

（图：IPCC）▼

大气的温度、气压、风、湿度等这些特性是耦合在一同的，温度的变更常常会惹起其他特性的变更，进而构成平流层大气环流的异常。

普通而言，平流层因臭氧吸收了大量的紫外辐射而大幅度升温。但这一规律却在一种状况下不成立，那就是南北极的极夜。

南极的极夜和南极光

（图：NOAA）▼

极夜期间由于缺乏太阳光映照，平流层不再经过吸收辐射升温，而是经过发出辐射冷却，招致温度急剧降落，从而拉开了与中纬度平流层的温差。

温度的改动带来风场的变更，盘绕着极地构成了激烈的西风，西风又牢牢地禁锢住极地的冷空气。这就构成了我们常听到的“极地涡旋”。要留意的是，这里所说的西风在平流层，并非我们普通听到的对流层西风带。

去年年底的极地涡旋

带来的寒潮自西向东横扫美国

（2022年12月22日 500hPa 图：中央气候台）▼

对流层西风带战争流层西风

（纬向平均纬向风-平流层视角 图：ECMWF）▼

南极臭氧空泛构成后，在南半球的春季（9、10、11月）时，南极刚刚从极夜中走出，此时臭氧的辐射效应显现出来，极地温度相比没有臭氧空泛时大幅降落，这就招致因冷而生的极地涡旋增强，环绕南极的西风也愈加迅猛。

臭氧空泛的影响并不只限于平流层，也在很大水平上影响到对流层的天气变更。

这是由于，平流层的温度、气压微风场的变更会以波的方式向对流层传输信号，从而改动对流层内热量和动量的水平输送。总之，经过较为复杂的过程，平流层的异常信号能够在大约半个月之后抵达对流层，并在之后的一两个月中持续影响空中天气。

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而臭氧空泛构成的平流层西风增强，能够构成空中气压的降低和环绕南极大陆西风（空中）的加速。历史资料统计表明，西风增强的同时常常随同着向极地的收缩，从而招致对流层的三圈环流(哈德来环流、费雷尔环流和极地环流)也随之向南极移动。

这一作用显著体往常南半球的降水变更中。在南半球夏季，原本位于三圈环流下沉支的区域将迎来更多的降雨，而原本湿润的地域则会容易被单调的下沉气流占领。南极臭氧损耗会引发南半球环流向南移动，是它最重要的气候效应。

臭氧构成的南半球环流变更▼

上图是气候观测的降水变更

下图是计算机模仿的臭氧的影响▼

地球气候系统十分复杂，常常牵一发而动全身。臭氧的变更还能够影响海水名义温度和极地海冰，间接构成气候变更。新的证据表明，臭氧的损耗很有可能与温室气体一同招致了1950年以来南大洋海水名义温度的升高。但温室气体占领了主导作用。

臭氧关于海温的影响是经过影响风场来完成的。南大洋上的西风带一边带动海水自西向东运动，一边也将表层的海水从极地吹向赤道。东西风向的风能够构成南北方向的海水运动，这种现象被称为“埃克曼输送”。

埃克曼输送表示（图：wiki）▼

由于臭氧的损耗增强了西风，南大洋上更多的表层海水分开原地，下层较为暖和的海水涌上名义，海名义温度也会上升。海面的增暖可能会构成漂浮在南极周围的海冰加速消融，南极海冰可能会进一步减少。

极地的海冰能够激烈反射太阳辐射，对地球的能量均衡调理作用显著。但是南极海冰在过去四十年中呈现出复杂的变更。在2015年之前，南极夏季海冰具有扩张趋向，但是在2016年之后疾速减少。目前的气候方式难以模仿这样的变更，因而臭氧关于南极海冰的影响难以得到证明。

在过去十年中，2月的夏季最低值变更极大

既触及历史高点又触及历史低点▼

2022年2月南极海冰平均浓度

该月海冰抵达夏季最小范围

（图：NOAA）▼

而北极的状况又有所不同，北半球大陆面积广，人口众多，北极的海冰又与北半球寒潮天气紧密相关。从长期上看，北极的臭氧损耗还没有对北极海冰造长大期持续的影响。但是有研讨表明，在北极臭氧损耗比较严重的年份，北极喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海的海冰显著减少。

不论是南极还是北极

海冰减少都不是件好事

（图：NASA）▼

正在恢复的臭氧层

自从《蒙特利尔议定书》执行以来，全球曾经淘汰了99%的耗费臭氧物质，臭氧层也有望在本世纪内恢复到1980年的状况。

美国气候学家安塔拉·班纳吉等人的研讨指出，正是由于《议定书》的影响，目前南极臭氧空泛惹起的大气环流变更曾经中止。

臭氧层的演化途径▼

随着臭氧层恢复，由臭氧损耗惹起的大气环流变更在未来可能得到弥补。但作为南半球极涡变更的另一推手，温室气体在本世纪很可能继续增加。因而科学家预估，南半球极涡变更的恢复可能直到在本世纪末才干完成。

耗费臭氧物质同时也是重要的温室气体，例如一氟三氯甲烷惹起的大气增暖效应，是同等质量二氧化碳的5160倍。假如人类继续忠实地实行《蒙特利尔协议》，那么由于耗费臭氧物质的减少，到本世纪中期，全球变暖将减少0.5~1℃，其意义不亚于经过植树造林来减缓气候变更。

耗费臭氧层物质和臭氧时间表▼

往常，《蒙特利尔议定书》的气候效应才刚刚显现，未来臭氧层的恢复能否完整逆转臭氧损耗构成的气候变更，或许只需等到未来才干知道答案。

不能中止对地球环境维护的努力呀

（图：PBS.org）▼

固然臭氧问题的前景并非十分明朗，但无须置疑的是，人类经过团结协作避免了一场人类文化的严重灾难。人类在臭氧管理上已取得阶段性重要成果，对温室气体排放的胜利管理还会远吗？

参考资料：

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*本文内容为作者提供，不代表地球学问局立场

封面：壹图网

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