地球上空,傳來一個壞消息_風聞
地球知识局-地球知识局官方账号-人文+地理+设计=全球视野新三观10-27 21:23
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。
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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。
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