地球上空，傳來一個壞消息_風聞

今年1月9日，世界氣象組織和聯合國環境署發佈新聞稱，如果保持現行舉措，南極臭氧層空洞將在2066年恢復到1980年的水平。

然而，歐洲空間局的最新的監測結果顯示，今年9月16日，南極臭氧層空洞面積達到了2600萬平方千米，面積相當於三個巴西的大小，已經接近歷史最大紀錄。

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，導致了臭氧的持續快速消耗。

報告指出臭氧層有望在四十年內恢復

（2022年臭氧消耗科學評估報告 圖：unric.org）▼

在此之前，人類幾乎成功逆轉了氯氟烴物質對臭氧層消耗。現在我們來回顧一下，人類是如何破壞，又如何保護恢復臭氧層的。它的背後，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，遠高於我們熟知的西風帶高度，這裏空氣稀薄，臭氧的總量只相當於常温常壓下5毫米厚的一層氣體。

臭氧分子在大氣中的相對丰度較低

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於上世紀20年代，英國牛津大學的研究員戈登·多布森組織世界各地的科學家在美國、埃及、印度、蘇聯，甚至北極圈內的斯匹次卑爾根羣島等地開展定期觀測。但對於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）▼

二戰後，英國皇家學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，這裏的每一條臭氧記錄將在三十多年後震驚世界，徹底顛覆人們對人與自然關係的認知。

橫屏—自1979年以來臭氧空洞的年度最大範圍

（圖：CAMS ）▼

1974年，美國人馬里奧·莫利納和舍伍德·羅蘭在《自然》雜誌上發表文章，提出氯氟烴 (CFC) 氣體（即我們常説的氟利昂）對臭氧層構成威脅。他們認識到，化學性質十分穩定的氯氟烴擴散到臭氧層後，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

每次反應循環完成時Cl和ClO都會重新形成

從而進一步破壞臭氧

（圖：NASA）▼

根據他們的預估，如果氯氟烴按照當時10%的年增長率繼續生產，那麼大氣中的臭氧將會在20年之後減少5-7%，並且將會在75年之後（也就是現在的27年之後）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障，同時平流層的温度還會顯著降低，可能會造成破壞性的氣候變化。

光致癌發生的多步驟過程示意圖

（圖：Eva Rawlings Parker）▼

彼時，科學家、工業界和決策者之間產生了巨大的分歧。全美價值80億美元的氯氟烴產業或直接或間接地僱傭了超過140萬勞動者。行業龍頭們大多拒絕放棄使用氯氟烴，他們不僅遊説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仍保持大量生產。

在20世紀的後二十年間

大氣中氯氟烴的濃度不降反升

（圖：WMO&NOAA）▼

直到1985年，英國南極調查局的大氣科學家在《自然》雜誌上發表了讓全世界震驚的發現。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，發現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。

哈雷考察站數據顯示從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）▼

這些數字遠遠超過莫利納和羅蘭的預估，相當於實錘了氯氟烴對臭氧層的殺傷力。一石激起千層浪，科學界掀起了大氣臭氧化學和動力學的研究熱潮。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《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，加強對消耗臭氧層物質（ODS）的管控，以應對臭氧層空洞問題。

（《蒙特利爾議定書》的締約方 圖：wiki）▼

這裏需要説明的是，所謂消耗臭氧物質，不僅包含氯氟烴這種直接破壞臭氧層的化學物質，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後，可以分解出氯自由基或溴自由基，進一步與臭氧發生複雜的連鎖反應，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？

經過科學界多年的研究，臭氧層對地球生態系統的影響已經得到證明，其重要性早已深入人心。平流層臭氧損耗後，動物皮膚和植物表皮會暴露在高強度的紫外輻射下，遺傳物質受到損害，癌變率增加，植物生長節律紊亂，甚至出現畸形發育。

臭氧層破損，百害而無一利

（圖：twitter@MBRSpaceCentre）▼

近些年，隨着人們對氣候變化的認識逐漸深入，臭氧損耗的氣候效應也得到廣泛研究。人們發現平流層正在發生的化學變化，正在通過意想不到的方式改變着地球氣候。

去年我國經歷了1961年以來的最熱夏天，人們對於全球變暖的擔憂再一次衝到頂點。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，全球地表平均温度在工業革命以來越來越高”，而温度的增加在時間上並不是持續的，在空間上也不是均勻的。從時間上看，我們經歷了1998-2012年所謂的“全球變暖停滯”，在空間上看，全球很多區域的地表温度在過去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於較長時間尺度上的▼

動圖感受一下（圖：NASA）▼

如果從垂直方向上觀察温度變化，我們就會發現各層大氣的温度並不都是增加的。研究表明，全球平流層的中高層正在以每十年大約0.6℃的速度降温，而臭氧和消耗臭氧物質是主要的幕後推手之一。

對流層中部至平流層上部(從下到上)的

全球寬層平均温度異常的時間序列▼

臭氧能把吸收的紫外輻射轉化為分子動能，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驗不同。

而當臭氧損耗後，更多的紫外輻射直接穿透了平流層，導致平流層的温度下降。

1981至2020年40年地表温度趨勢

（圖：IPCC）▼

大氣的温度、氣壓、風、濕度等這些特性是耦合在一起的，温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温。但這一規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）▼

極夜期間由於缺乏太陽光照射，平流層不再通過吸收輻射升温，而是通過發出輻射冷卻，導致温度急劇下降，從而拉開了與中緯度平流層的温差。

温度的改變帶來風場的變化，圍繞着極地形成了強烈的西風，西風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，這裏所説的西風在平流層，並非我們一般聽到的對流層西風帶。

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：中央氣象台）▼

對流層西風帶和平流層西風

（緯向平均緯向風-平流層視角 圖：ECMWF）▼

南極臭氧空洞形成後，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顯現出來，極地温度相比沒有臭氧空洞時大幅下降，這就導致因冷而生的極地渦旋增強，環繞南極的西風也更加迅猛。

臭氧空洞的影響並不僅限於平流層，也在很大程度上影響到對流層的天氣變化。

這是因為，平流層的温度、氣壓和風場的變化會以波的形式向對流層傳輸信號，從而改變對流層內熱量和動量的水平輸送。總之，經過較為複雜的過程，平流層的異常信號可以在大約半個月之後到達對流層，並在之後的一兩個月中持續影響地面天氣。

▼

而臭氧空洞造成的平流層西風增強，可以造成地面氣壓的降低和環繞南極大陸西風（地面）的加速。歷史資料統計表明，西風增強的同時往往伴隨着向極地的收縮，從而導致對流層的三圈環流(哈德來環流、費雷爾環流和極地環流)也隨之向南極移動。

這一作用顯著體現在南半球的降水變化中。在南半球夏季，原本位於三圈環流下沉支的區域將迎來更多的降雨，而原本濕潤的地區則會容易被幹燥的下沉氣流佔據。南極臭氧損耗會引發南半球環流向南移動，是它最重要的氣候效應。

臭氧造成的南半球環流變化▼

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▼

地球氣候系統十分複雜，往往牽一髮而動全身。臭氧的變化還可以影響海水錶面温度和極地海冰，間接造成氣候變化。新的證據表明，臭氧的損耗很有可能與温室氣體一同導致了1950年以來南大洋海水錶面温度的升高。但温室氣體佔據了主導作用。

臭氧對於海温的影響是通過影響風場來實現的。南大洋上的西風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。東西風向的風可以造成南北方向的海水運動，這種現象被稱為“埃克曼輸送”。

埃克曼輸送示意（圖：wiki）▼

由於臭氧的損耗加強了西風，南大洋上更多的表層海水離開原地，下層較為温暖的海水湧上表面，海表面温度也會上升。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節作用顯著。但是南極海冰在過去四十年中呈現出複雜的變化。在2015年之前，南極夏季海冰具有擴張趨勢，但是在2016年之後迅速縮小。目前的氣候模式難以模擬這樣的變化，因此臭氧對於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範圍

（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。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）▼

正在恢復的臭氧層

自從《蒙特利爾議定書》執行以來，全球已經淘汰了99%的消耗臭氧物質，臭氧層也有望在本世紀內恢復到1980年的狀況。

美國氣象學家安塔拉·班納吉等人的研究指出，正是由於《議定書》的影響，目前南極臭氧空洞引起的大氣環流變化已經停止。

臭氧層的演變路徑▼

隨着臭氧層恢復，由臭氧損耗引起的大氣環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，温室氣體在本世紀很可能繼續增加。因此科學家預估，南半球極渦變化的恢復可能直到在本世紀末才能實現。

消耗臭氧物質同時也是重要的温室氣體，例如一氟三氯甲烷引起的大氣增暖效應，是同等質量二氧化碳的5160倍。如果人類繼續忠實地履行《蒙特利爾協定》，那麼由於消耗臭氧物質的減少，到本世紀中期，全球變暖將減少0.5~1℃，其意義不亞於通過植樹造林來減緩氣候變化。

消耗臭氧層物質和臭氧時間表▼

如今，《蒙特利爾議定書》的氣候效應才剛剛顯現，未來臭氧層的恢復能否完全逆轉臭氧損耗造成的氣候變化，仍然是個未知數。

不能停止對地球環境保護的努力呀

（圖：PBS.org）▼

據科學家估計，湯加火山噴發對臭氧層的嚴重影響，可能會持續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的條件之一，我們雖然相比別的生物有前所未有的能力，但並不能超越大自然本身的變化。

參考資料：

[1] F. S. Rowland, “Stratospheric ozone depletion,” Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, vol. 361, no. 1469, pp. 769–790, 2006.

[2] R. S. Stolarski, “History of the study of atmospheric ozone.” https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/People/Stolarski/history.html

[3] 艾寶勤，胡其圖 and 郭奕玲, “法布里－珀羅干涉儀的發明,” 物理, no. 09, pp. 573–577, 1994.

[4] “Charles Fabry.” https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Fabry

[5] G. M. B. Dobson, “Forty Years’ Research on Atmospheric Ozone at Oxford: a History,” Appl. Opt., vol. 7, no. 3, pp. 387–405, Mar. 1968, doi: 10.1364/AO.7.000387.

[6] “International Geophysical Year.” https://en.wikipedia.org/wiki/International_Geophysical_Year

[7] NASA, “What is Ozone?” https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/

[8] J. M. Masters, “The Skeptics vs. the Ozone Hole.” https://www.lpl.arizona.edu/sites/default/files/resources/globalwarming/skeptics-vs-ozone-hole.pdf

[9] J. C. Farman, B. G. Gardiner, and J. D. Shanklin, “Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction,” Nature, vol. 315, no. 6016, pp. 207–210, May 1985, doi: 10.1038/315207a0.

[10] “珠峯上放飛的氣球，如何研究 ‘雙面人’ 臭氧？.”https://mp.weixin.qq.com/s/_PxxlLulu_KGk4_5n1Z31A

[11] World Meteorological Organization, “Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022.”

[12] M. P. Baldwin and T. J. Dunkerton, “Stratospheric Harbingers of Anomalous Weather Regimes,” Science, vol. 294, no. 5542, pp. 581–584, Oct. 2001, doi: 10.1126/science.1063315.

[13] S. M. Kang, L. M. Polvani, J. C. Fyfe, and M. Sigmond, “Impact of Polar Ozone Depletion on Subtropical Precipitation,”Science, vol. 332, no. 6032, pp. 951–954, May 2011, doi: 10.1126/science.1202131.

[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

[16] J. Zhang et al., “Responses of Arctic sea ice to stratospheric ozone depletion,” Science Bulletin, vol. 67, no. 11, pp. 1182–1190, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.scib.2022.03.015.

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