地球漏的这个洞,终于要被补上了?

       提起“臭氧层空洞”,你是不是会想到南极?

  这个在南极上空的大气臭氧层上意外发现的空洞,改变了人们的生活,并帮助确立了一项成功的全球环境政策。

  “等等,南极臭氧层空洞难道不是上个世纪的遗留问题了么,我小学就听老师讲过了”“这么久不被提起,是不是已经修复了?”

  其实不然,保护臭氧层,依然是进行时。

 

臭氧层到底在哪里

  在地球诞生40亿年后,随着大气中氧含量的增加,臭氧层慢慢建立。这平铺在地表上不过2.5(2.45)mm厚的薄层,——大约是两个半叠起来的硬币,却吸收了到达地球的90%以上的紫外线辐射(波长在180~280nm),同时它将吸收的紫外线转化为热能加热大气,才有了平流层(距离地表约10-50km)的存在。在平流层中,臭氧在阳光的作用下不断重复着生成和破坏的化学反应。

  臭氧浓度并不是垂直均匀分布的,它随海拔高度而变化。臭氧浓度最大值(0.0015%)出现在海拔30到35公里之间。其水平分布也不均匀,在世界三极地区,即南极、北极和青藏高原由于气候寒冷,臭氧层更加稀薄。

 

  臭氧浓度垂直分布  图片来源:NASA

  

臭氧层对我们有多重要?

  臭氧层是地球生物进化的“保护伞”和“护航者”。臭氧层可以吸收大部分紫外线辐射,屏蔽所有能量最大的UVC辐射,大部分UVB辐射,以及约一半的UVA辐射。在臭氧层的庇护下,地球生命的基础物质——脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)逃脱了紫外辐射的“魔爪”,生命得以向浅海和陆地发展。随着生命多样性的增加,才有了人类出现。

  而臭氧层的损耗增加了到达地球表面的紫外线,特别是中段紫外线的数量,可能导致皮肤癌和眼睛损伤等一系列健康问题。不仅如此,UVB辐射还影响植物的生理和发育过程,使得浮游植物的产量直接减少,影响海洋生物的繁殖发育,从而对整个海洋食物链产生影响。同时,它影响陆地和水体的生物地球化学循环,我们生产生活中需要的建筑材料也会随着UVB的增加而加速分解。可以说,臭氧层的持续损耗造成的损失是难以估量的

  既然臭氧层遍布全球,人们是怎么发现南极出现一个大窟窿的呢?

南极上空的臭氧层空洞  图片来源:NOAA

 

谁发现了臭氧层空洞

  最初,制冷和空调系统使用的制冷剂是易燃有毒的。20世纪30年代初,小托马斯·米基雷(Thomas Midgely Jr.)带领团队研发出了无毒、且不易燃的制冷剂替代品-氯氟烃(CFCs),便宜好用,深受欢迎。到20世纪70年代初,全球范围内氯氟烃的年产量达到了近100万吨,在化学工业中占了大约5亿美元的份额。

  1974年,科学家马里奥·莫利纳(Mario Molina)和舍伍德·罗兰德(F. Sherwood Rowland)发表了一篇论文,指出CFCs虽然对人体无害,但可能破坏地球平流层的臭氧。这一发现遭到了产业界的攻击,研究也受到了科学家的质疑。

  1985年,英国南极调查局的三位大气科学家乔·法曼(Joe Farman)、布莱恩·加德纳(Brian Gardiner)和乔纳森·尚克林(Jonathan Shanklin)在《自然》杂志发表论文,首次证实了臭氧洞的存在。

  他们发现南极哈雷(Halley)站和法拉第(Faraday)站上空平流层臭氧水平出现了意料之外的大幅下降。他们的数据显示,经过大约20年的稳定后,臭氧水平在20世纪70年代末左右的南方春季月份开始下降。到1984年10月,哈雷站上空平流层的臭氧层只有前几十年的三分之二厚,乔·法曼等人大胆地认为这与人类使用的CFCs有关,这种化合物由于无毒便宜经常用于气雾剂罐和冰箱等冷却设备。这一现象后来被称为南极臭氧空洞

  1979-2012年观测到的臭氧层空洞范围变化  图片来源:NASA

  很快的,1986年,美国国家海洋和大气管理局的研究员苏珊·所罗门(Susan Solomon)带领科学家们通过建立大气模型,终于解释了CFCs影响臭氧层的化学机制。

  通过10年的不断努力,科学家们最终确定CFCs的氯是造成南极臭氧损失的最主要原因,极地涡旋和极地平流层云冰粒的存在加速了这一过程,并且在北极也发生了同样的化学反应。实际上不止是两极,臭氧趋势委员会于1988年发布的一个报告证实臭氧损耗全球都存在。至此,臭氧层空洞及背后的秘密终于被揭开,这一发现震惊了世界。因“对大气化学的研究工作,特别是臭氧的形成与分解”,莫利纳和罗兰德获得了1995年诺贝尔化学奖。

  1995年获得诺贝尔化学奖的三位科学家  图片来源:https://ozone.unep.org/ozone-timeline


臭氧层空洞,是个洞么?其实不是

  臭氧层空洞,听起来就像是臭氧层漏了个洞?这个洞到底有多大呢,我们又是怎么判定的?

  臭氧观测的主要方式  图片来源:NOAA

  每天,科学家会通过站点仪器监测臭氧的变化,还会通过气球、飞机和卫星探测不同高度上的臭氧含量。

 

  科学家正准备放探测气球  图片来源:NOAA

  臭氧空洞并不是指某个地区上空完全没有臭氧,也并非是一直都存在,而是指在南半球的春天(8月-10月)开始时,发生在南极上空平流层的一个臭氧异常消耗的区域。南极臭氧层空洞最大的时候曾达到2950万平方公里,相当于3个中国的面积。

  臭氧层到底有没有“洞“,其实是总臭氧柱说了算。

  南极上空的臭氧层空洞  图片来源:NASA

  臭氧空洞的面积是根据总臭氧柱图确定的,科学家以220多布森(DU)为单位来判定

  多布森(DU)是测量臭氧总量的单位,以英国物理学家和气象学家戈登·多布森(Gordon Dobson)的名字命名。如果把所有的臭氧放在一个从地球表面一直延伸到太空的空气柱中,把所有的臭氧放在标准温度(0摄氏度)和标准气压(1013.25Pa,或一个大气压,用atm表示)下,它等于在标准大气状态下千分之一厘米臭氧层的厚度。300DU标态下表示单位面积上有3mm厚臭氧,而这正是地球上空臭氧的平均总量值

  之所以选择220DU为判定标准,是因为在1979年以前的南极洲历史观测中,没有发现臭氧总量低于220多布森单位。此外,从对南极洲上空的直接测量结果来看,臭氧水平低于220多DU是氯和溴化合物造成臭氧损失的结果。被220DU线包围的区域计算出来的,就是被公布的臭氧空洞的面积。所以,臭氧层空洞根本不是一个洞,而是臭氧含量的低值区


臭氧层修复行动  

     从1986年确定发现CFCs破坏了臭氧层到全球人类自发决定采取行动修复它,可以说是气候行动主义历史上最快速也是最成功的故事之一。

  1987年《蒙特利尔议定书》落定  图片来源:https://ozone.unep.org/ozone-timeline

  1987年9月16日,美国和其他45个国家签署了《蒙特利尔议定书》,议定书承诺各签署国逐步淘汰损害臭氧层的卤化化合物,包括氯氟烃、氟氯烃和含溴碳氢化合物,以降低大气中的氯和溴水平,并减轻进一步的臭氧消耗。我国于1991年加入议定书。到今天,已有197个国家批准了这项条约。这是联合国历史上第一个被普遍通过的条约,这一天也在全球范围内被标记为国际臭氧层保护日。

  随着科学家对臭氧消耗物的深入了解,2016年10月15日,卢旺达基加利通过了《基加利修正案》,将氢氟碳化物(HFCs)这一人工合成的强温室气体纳入《蒙特利尔议定书》管控范围,我国也于2021年成为该修正案第122个缔约方。正是在全世界人们的共同努力下,超过98%的臭氧层消耗物被淘汰

  2016年,苏珊·所罗门和她的同事发表在science上的研究提出,在《蒙特利尔议定书》生效近30年后,南极臭氧空洞终于出现了消失的迹象,南极洲上空的臭氧量已经开始增加

  自2000年以来,9月(臭氧层空洞最明显的月份)检测到了臭氧柱数量的增加,臭氧浓度垂直剖面的变化,以及臭氧空洞面积的减小。通过利用数值模式模拟地球变化,他们直接证实了《蒙特利尔议定书》的作用。观测结果与模式预测相符,超过一半的空洞减少可以归结为大气中氯的减少。

  美国国家航空航天局(NASA)联合主席保罗·纽曼(Paul Newman)也表示:“如果不采取这些措施,到2065年,臭氧层的三分之二将被破坏。”NOAA研究指出,如果今天大气中氯氟烃的氯含量和本世纪初一样高,那么在同样的天气条件下,2021年的臭氧空洞可能会扩大约400万平方公里。

  这张图描绘了自1979年至今臭氧消耗高峰季节南极臭氧空洞的平均范围,可以发现该范围已经呈现下降趋势。  图片来源:NOAA

  一切看起来都在向更好的未来前进。那么,南极臭氧层空洞到底什么时候才能完全修复呢?

  联合国一份报告认为,如果一切按计划进行,到21世纪60年代,臭氧层空洞可能会被修复。在其他臭氧消耗不那么严重的地区,恢复正常可能会更快。北极和北半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪30年代达到这个水平,而南半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪中叶达到上世纪80年代的水平

故事仍未结束

  需要指出的是,协议要求CFCs在20世纪90年代停止生产,这意味着即使在完全停止生产CFCs很长一段时间后,使用CFCs制冷的旧设备被处理或销毁的过程中,CFCs排放仍将继续向大气中提供极具破坏性、寿命长的气体。由于其寿命为50到100年,所以20世纪70年代和80年代产生的氯分子仍在大气中存在。而到目前为止,我们依然可以在北极、在热带发现臭氧层空洞现象。但是不可否认的是,在大家的共同努力下,故事在慢慢往更积极乐观的方向发展。

  从太空中看到的地球大气层  图片来源:NASA

  在今天,我们依然提起臭氧层空洞和臭氧层保护,是为了提醒大家,一个新的艰难挑战正摆在我们面前——全球变暖。

  虽然臭氧消耗和全球变暖是两个不同的问题,但同一个大气使得他们交织在一起——许多臭氧消耗化合物也是导致全球变暖的温室气体。部分研究认为,温室气体导致的变暖加剧改变了大气中的行星环流,从而导致热带地区臭氧减少,北极和中纬度地区臭氧增加。

  但正如卡罗门所说:“臭氧层保护给了我们希望,我们不应该害怕解决面临的大型环境问题。”在30年前,我们就可以团结一心保护臭氧层,那么我们有理由相信,人类有能力,并且有希望,通过全球协作解决人类共同面临的气候环境问题。

  我们始终需要科学的指引。因为“科学不会告诉我们该做什么,但会告诉我们这么做或那么做的结果。是否要为气候变化采取行动不是靠科学家来说的,而是一种社会责任,是道德问题。”(马里奥·莫利纳)

  参考文献:

  [1] https://www.weforum.org/agenda/2018/04/is-earth-s-ozone-layer-still-at-risk-5-questions-answered

  [2] https://www.epa.gov/ozone-layer-protection/health-and-environmental-effects-ozone-layer-depletion

  [3] https://www.nature.com/articles/d41586-019-02837-5

  [4] https://svs.gsfc.nasa.gov/3586

  [5] https://www.sciencemag.org/news/2020/10/nobel-laureate-who-helped-save-ozone-layer-dies

  [6] https://www.sciencehistory.org/historical-profile/susan-solomon#:~:text=The%20Montreal%20Protocol%20and%20Beyond

  [7] https://climate.mit.edu/posts/3-questions-susan-solomon-plugging-holes-ozone-layer-and-climate-policies

  [8] https://news.un.org/en/story/2019/09/1046452

  [9] https://www.noaa.gov/news/antarctic-ozone-hole-is-13th-largest-on-record-and-expected-to-persist-into-november

  [10] https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/cfcs-ozone.html

  [11] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9504830

  [12] Rousseaux, MC, Ballare, et al. Ozone depletion and UVB radiation: Impact on plant DNA damage in southern South America[J]. PROC NAT ACAD SCI USA, 1999.

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  作者单位:中国科学院大气物理研究所