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)合國環(huán)境署發(fā)布新聞稱，如果保持現(xiàn)行舉措，南極臭氧層空洞將在2066年恢復(fù)到1980年的水平。

然而，歐洲空間局的最新的監(jiān)測結(jié)果顯示，今年9月16日，南極臭氧層空洞面積達到了2600萬平方千米，面積相當于三個巴西的大小，已經(jīng)接近歷史最大紀錄。

急劇增大的臭氧層空洞，其實是被去年爆發(fā)的湯加火山給“轟”出來的。湯加火山向平流層中注入了大量的鹵素化合物，導(dǎo)致了臭氧的持續(xù)快速消耗。

報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)評估報告 圖：unric.org）▼

在此之前，人類幾乎成功逆轉(zhuǎn)了氯氟烴物質(zhì)對臭氧層消耗?，F(xiàn)在我們來回顧一下，人類是如何破壞，又如何保護恢復(fù)臭氧層的。它的背后，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豐度較低

在平流層中通常每十億個空氣分子只有幾千個臭氧分子

（圖：WMO）▼

人類對大氣中臭氧含量的定期觀測始于上世紀20年代，英國牛津大學(xué)的研究員戈登·多布森組織世界各地的科學(xué)家在美國、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。但對于那個被幾公里厚的冰蓋覆蓋的極寒之地——南極，彼時卻沒有進行任何測量。

戈登·多布森使用的原始臭氧光譜儀

（圖：Science Museum Group）▼

二戰(zhàn)后，英國皇家學(xué)會的探險隊在南極布倫特冰架上建立了哈雷考察站，開展長期的大氣觀測。當時沒人能想到，這里的每一條臭氧記錄將在三十多年后震驚世界，徹底顛覆人們對人與自然關(guān)系的認知。

橫屏—自1979年以來臭氧空洞的年度最大范圍

（圖：CAMS ）▼

1974年，美國人馬里奧·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（即我們常說的氟利昂）對臭氧層構(gòu)成威脅。他們認識到，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定的氯氟烴擴散到臭氧層后，會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。

氯原子被認為是臭氧破壞的催化劑是因為

每次反應(yīng)循環(huán)完成時Cl和ClO都會重新形成

從而進一步破壞臭氧

（圖：NASA）▼

根據(jù)他們的預(yù)估，如果氯氟烴按照當時10%的年增長率繼續(xù)生產(chǎn)，那么大氣中的臭氧將會在20年之后減少5-7%，并且將會在75年之后（也就是現(xiàn)在的27年之后）減少30-50%。

如果氯氟烴沒有被禁止

NASA 對平流層臭氧濃度的預(yù)測

（圖：NASA）▼

屆時，大量紫外輻射可以直接到達地面，很多人會因此患上皮膚癌或白內(nèi)障，同時平流層的溫度還會顯著降低，可能會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

（圖：Eva Rawlings Parker）▼

彼時，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80年代開始

大氣臭氧含量急劇下降

（1956-2022年南極測得大氣臭氧總量 圖：NASA）▼

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

氯氟烴之罪禍再難遁形。在全社會的努力下，1987年，國際社會簽署《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，加強對消耗臭氧層物質(zhì)（ODS）的管控，以應(yīng)對臭氧層空洞問題。

（《蒙特利爾議定書》的締約方 圖：wiki）▼

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。它們在平流層中受到紫外線的照射后，可以分解出氯自由基或溴自由基，進一步與臭氧發(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，動物皮膚和植物表皮會暴露在高強度的紫外輻射下，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

（圖：twitter@MBRSpaceCentre）▼

近些年，隨著人們對氣候變化的認識逐漸深入，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。

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

熱天更熱，是全球變暖對氣候變化的影響之一

（圖：國家氣候中心）▼

全球變暖其實是指 “從長期來看，全球地表平均溫度在工業(yè)革命以來越來越高”，而溫度的增加在時間上并不是持續(xù)的，在空間上也不是均勻的。從時間上看，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時間尺度上的▼

動圖感受一下（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間序列▼

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

而當臭氧損耗后，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

（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，溫度的變化常常會引起其他特性的變化，進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)場的變化，圍繞著極地形成了強烈的西風(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

（2022年12月22日 500hPa 圖：中央氣象臺）▼

對流層西風(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，南極剛剛從極夜中走出，此時臭氧的輻射效應(yīng)顯現(xiàn)出來，極地溫度相比沒有臭氧空洞時大幅下降，這就導(dǎo)致因冷而生的極地渦旋增強，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流層的天氣變化。

這是因為，平流層的溫度、氣壓和風(fēng)場的變化會以波的形式向?qū)α鲗觽鬏斝盘枺瑥亩淖儗α鲗觾?nèi)熱量和動量的水平輸送?？傊?jīng)過較為復(fù)雜的過程，平流層的異常信號可以在大約半個月之后到達對流層，并在之后的一兩個月中持續(xù)影響地面天氣。

▼

而臭氧空洞造成的平流層西風(fēng)增強，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)計表明，西風(fēng)增強的同時往往伴隨著向極地的收縮，從而導(dǎo)致對流層的三圈環(huán)流(哈德來環(huán)流、費雷爾環(huán)流和極地環(huán)流)也隨之向南極移動。

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?，而原本濕潤的地區(qū)則會容易被干燥的下沉氣流占據(jù)。南極臭氧損耗會引發(fā)南半球環(huán)流向南移動，是它最重要的氣候效應(yīng)。

臭氧造成的南半球環(huán)流變化▼

上圖是氣象觀測的降水變化

下圖是計算機模擬的臭氧的影響▼

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。

臭氧對于海溫的影響是通過影響風(fēng)場來實現(xiàn)的。南大洋上的西風(fēng)帶一邊帶動海水自西向東運動，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動，這種現(xiàn)象被稱為“?？寺斔汀薄?/p>

?？寺斔褪疽猕?/p>

由于臭氧的損耗加強了西風(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，海表面溫度也會上升。海面的增暖可能會造成漂浮在南極周圍的海冰加速融化，南極海冰可能會進一步減少。

極地的海冰可以強烈反射太陽輻射，對地球的能量平衡調(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張趨勢，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

既觸及歷史高點又觸及歷史低點▼

2022年2月南極海冰平均濃度

該月海冰達到夏季最小范圍

（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)。從長期上看，北極的臭氧損耗還沒有對北極海冰造成長期持續(xù)的影響。但是有研究表明，在北極臭氧損耗比較嚴重的年份，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，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內(nèi)恢復(fù)到1980年的狀況。

美國氣象學(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償。但作為南半球極渦變化的另一推手，溫室氣體在本世紀很可能繼續(xù)增加。因此科學(xué)家預(yù)估，南半球極渦變化的恢復(fù)可能直到在本世紀末才能實現(xiàn)。

消耗臭氧物質(zhì)同時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，仍然是個未知數(shù)。

不能停止對地球環(huán)境保護的努力呀

（圖：PBS.org）▼

據(jù)科學(xué)家估計，湯加火山噴發(fā)對臭氧層的嚴重影響，可能會持續(xù)4到5年。

臭氧層空洞的再次擴大，或許是在提醒我們，人類只是影響地球操作系統(tǒng)的條件之一，我們雖然相比別的生物有前所未有的能力，但并不能超越大自然本身的變化。

查看參考資料：

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[15] “Southern Ocean cooling in a warming world.” https://news.mit.edu/2016/southern-ocean-cooling-in-a-warming-world-0624

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[17] “Viruses, microscopy and fast radio bursts: 10 remarkable discoveries from 2020.” https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-8

*本文內(nèi)容為作者提供，不代表地球知識局立場

封面：壹圖網(wǎng)

END

原標題：《地球上空，傳來一個壞消息》

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