逆转了,臭氧空洞正在变小!| 地球知识局

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NO.2422-臭氧空洞正在变小

作者:小凯

校稿:朝乾 / 编辑:果栗乘

今年1月9日,世界气象组织和联合国环境署发布新闻称,如果保持现行举措,南极臭氧空洞将在2066年恢复到1980年的水平。届时,人类将首次通过紧密的国际合作,解决一个攸关文明存续的重大环境问题。

报告指出臭氧层有望在四十年内恢复

(2022年臭氧消耗科学评估报告 图:unric.org)▼

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胜利的曙光来之不易,它的背后则是一段充满偶然的曲折历史

南极臭氧空洞

南极臭氧空洞

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有几千个臭氧分子

(图:WMO)▼

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人类对大气中臭氧含量的定期观测始于上世纪20年代,英国牛津大学的研究员戈登·多布森组织世界各地的科学家在美国、埃及、印度、苏联,甚至北极圈内的斯匹次卑尔根群岛等地开展定期观测。但对于那个被几公里厚的冰盖覆盖的极寒之地——南极,彼时却没有进行任何测量。

戈登·多布森使用的原始臭氧光谱仪

(图:Science Museum Group)▼

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二战后,英国皇家学会的探险队在南极布伦特冰架上建立了哈雷考察站,开展长期的大气观测。当时没人能想到,这里的每一条臭氧记录将在三十多年后震惊世界,彻底颠覆人们对人与自然关系的认知。

横屏—自1979年以来臭氧空洞的年度最大范围

(图:CAMS )▼

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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)对臭氧层构成威胁。他们认识到,化学性质十分稳定的氯氟烃扩散到臭氧层后,会在紫外辐射下分解出氯原子,而氯原子是臭氧分解的高效催化剂。

氯原子被认为是臭氧破坏的催化剂是因为

每次反应循环完成时Cl和ClO都会重新形成

从而进一步破坏臭氧

(图:NASA)▼

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根据他们的预估,如果氯氟烃按照当时10%的年增长率继续生产,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(也就是现在的27年之后)减少30-50%。

如果氯氟烃没有被禁止

NASA 对平流层臭氧浓度的预测

(图:NASA)▼

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届时,大量紫外辐射可以直接到达地面,很多人会因此患上皮肤癌白内障,同时平流层的温度还会显著降低,可能会造成破坏性的气候变化

光致癌发生的多步骤过程示意图

(图:Eva Rawlings Parker)▼

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彼时,科学家、工业界和决策者之间产生了巨大的分歧。全美价值80亿美元的氯氟烃产业或直接或间接地雇佣了超过140万劳动者。行业龙头们大多拒绝放弃使用氯氟烃,他们不仅游说政府部门延缓或者放弃禁止氯氟烃的计划,还试图利用媒体获得大众的支持,这让氯氟烃在十年内仍保持大量生产。

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)▼

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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。他们分析了哈雷站自1956年建站以来收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几乎保持不变。

哈雷考察站数据显示从20世纪80年代开始

大气臭氧含量急剧下降

(1956-2022年南极测得大气臭氧总量 图:NASA)▼

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这些数字远远超过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究热潮。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《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》,加强对消耗臭氧层物质(ODS)的管控,以应对臭氧层空洞问题。

(《蒙特利尔议定书》的缔约方图:wiki)▼

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这里需要说明的是,所谓消耗臭氧物质,不仅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。它们在平流层中受到紫外线的照射后,可以分解出氯自由基或溴自由基,进一步与臭氧发生复杂的连锁反应,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▼

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臭氧损耗改变地球气候?

臭氧损耗改变地球气候?

经过科学界多年的研究,臭氧层对地球生态系统的影响已经得到证明,其重要性早已深入人心。平流层臭氧损耗后,动物皮肤和植物表皮会暴露在高强度的紫外辐射下,遗传物质受到损害,癌变率增加,植物生长节律紊乱,甚至出现畸形发育。

臭氧层破损,百害而无一利

(图:twitter@MBRSpaceCentre)▼

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近些年,随着人们对气候变化的认识逐渐深入,臭氧损耗的气候效应也得到广泛研究。人们发现平流层正在发生的化学变化,正在通过意想不到的方式改变着地球气候。

去年我国经历了1961年以来的最热夏天,人们对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化的一种简单表述。

热天更热,是全球变暖对气候变化的影响之一

(图:国家气候中心)▼

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全球变暖其实是指 “从长期来看,全球地表平均温度在工业革命以来越来越高”,而温度的增加在时间上并不是持续的,在空间上也不是均匀的。从时间上看,我们经历了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年来没有显著变化,甚至还减小了不少。

全球变暖的概念是立足于较长时间尺度上的▼

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动图感受一下(图:NASA)▼

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如果从垂直方向上观察温度变化,我们就会发现各层大气的温度并不都是增加的。研究表明,全球平流层的中高层正在以每十年大约0.6℃的速度降温,而臭氧和消耗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▼

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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,而且是越高的地方越热,这与对流层海拔越高就越冷的生活经验不同。

而当臭氧损耗后,更多的紫外辐射直接穿透了平流层,导致平流层的温度下降

1981至2020年40年地表温度趋势

(图:IPCC)▼

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大气的温度、气压、风、湿度等这些特性是耦合在一起的,温度的变化常常会引起其他特性的变化,进而造成平流层大气环流的异常。

一般而言,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情况下不成立,那就是南北极的极夜

南极的极夜和南极光

(图:NOAA)▼

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极夜期间由于缺乏太阳光照射,平流层不再通过吸收辐射升温,而是通过发出辐射冷却,导致温度急剧下降,从而拉开了与中纬度平流层的温差。

温度的改变带来风场的变化,围绕着极地形成了强烈的西风,西风又牢牢地禁锢住极地的冷空气。这就形成了我们常听到的“极地涡旋”。要注意的是,这里所说的西风在平流层,并非我们一般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:中央气象台)▼

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对流层西风带和平流层西风

(纬向平均纬向风-平流层视角 图:ECMWF)▼

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南极臭氧空洞形成后,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洞时大幅下降,这就导致因冷而生的极地涡旋增强,环绕南极的西风也更加迅猛。

臭氧空洞的影响并不仅限于平流层,也在很大程度上影响到对流层的天气变化。

这是因为,平流层的温度、气压和风场的变化会以波的形式向对流层传输信号,从而改变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,平流层的异常信号可以在大约半个月之后到达对流层,并在之后的一两个月中持续影响地面天气。

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而臭氧空洞造成的平流层西风增强,可以造成地面气压的降低环绕南极大陆西风(地面)的加速。历史资料统计表明,西风增强的同时往往伴随着向极地的收缩,从而导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

这一作用显著体现在南半球的降水变化中。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,而原本湿润的地区则会容易被干燥的下沉气流占据。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。

臭氧造成的南半球环流变化▼

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上图是气象观测的降水变化

下图是计算机模拟的臭氧的影响▼

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地球气候系统十分复杂,往往牵一发而动全身。臭氧的变化还可以影响海水表面温度和极地海冰,间接造成气候变化。新的证据表明,臭氧的损耗很有可能与温室气体一同导致了1950年以来南大洋海水表面温度的升高。但温室气体占据了主导作用。

臭氧对于海温的影响是通过影响风场来实现的。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。东西风向的风可以造成南北方向的海水运动,这种现象被称为“埃克曼输送”。

埃克曼输送示意(图:wiki)▼

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由于臭氧的损耗加强了西风,南大洋上更多的表层海水离开原地,下层较为温暖的海水涌上表面,海表面温度也会上升。海面的增暖可能会造成漂浮在南极周围的海冰加速融化,南极海冰可能会进一步减少。

极地的海冰可以强烈反射太阳辐射,对地球的能量平衡调节作用显著。但是南极海冰在过去四十年中呈现出复杂的变化。在2015年之前,南极夏季海冰具有扩张趋势,但是在2016年之后迅速缩小。目前的气候模式难以模拟这样的变化,因此臭氧对于南极海冰的影响难以得到证明。

在过去十年中,2月的夏季最低值变化极大

既触及历史高点又触及历史低点▼

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2022年2月南极海冰平均浓度

该月海冰达到夏季最小范围

(图:NOAA)▼

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而北极的情况又有所不同,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成长期持续的影响。但是有研究表明,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

不管是南极还是北极

海冰减少都不是件好事

(图:NASA)▼

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正在恢复的臭氧层

正在恢复的臭氧层

自从《蒙特利尔议定书》执行以来,全球已经淘汰了99%的消耗臭氧物质,臭氧层也有望在本世纪内恢复到1980年的状况。

美国气象学家安塔拉·班纳吉等人的研究指出,正是由于《议定书》的影响,目前南极臭氧空洞引起的大气环流变化已经停止。

臭氧层的演变路径▼

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随着臭氧层恢复,由臭氧损耗引起的大气环流变化在未来可能得到补偿。但作为南半球极涡变化的另一推手,温室气体在本世纪很可能继续增加。因此科学家预估,南半球极涡变化的恢复可能直到在本世纪末才能实现。

消耗臭氧物质同时也是重要的温室气体,例如一氟三氯甲烷引起的大气增暖效应,是同等质量二氧化碳的5160倍。如果人类继续忠实地履行《蒙特利尔协定》,那么由于消耗臭氧物质的减少,到本世纪中期,全球变暖将减少0.5~1℃,其意义不亚于通过植树造林来减缓气候变化

消耗臭氧层物质和臭氧时间表▼

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如今,《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全逆转臭氧损耗造成的气候变化,或许只有等到未来才能知道答案。

不能停止对地球环境保护的努力呀

(图:PBS.org)▼

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虽然臭氧问题的前景并非十分明朗,但毋庸置疑的是,人类通过团结协作避免了一场人类文明的重大灾难。人类在臭氧治理上已取得阶段性重要成果,对温室气体排放的成功治理还会远吗?

参考资料:

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[14] 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.

[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

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:壹图网

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