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提起 " 臭氧層空洞 "，你是不是會想到南極？

這個在南極上空的大氣臭氧層上意外發(fā)現(xiàn)的空洞，改變了人們的生活，并幫助確立了一項成功的全球環(huán)境政策。

" 等等，南極臭氧層空洞難道不是上個世紀(jì)的遺留問題了么，我小學(xué)就聽老師講過了 "" 這么久不被提起，是不是已經(jīng)修復(fù)了？"

其實不然，保護臭氧層，依然是進行時。

臭氧層到底在哪里

在地球誕生 40 億年后，隨著大氣中氧含量的增加，臭氧層慢慢建立。這平鋪在地表上不過 2.5（2.45）mm 厚的薄層，——大約是兩個半疊起來的硬幣，卻吸收了到達(dá)地球的 90% 以上的紫外線輻射（波長在 180～280nm），同時它將吸收的紫外線轉(zhuǎn)化為熱能加熱大氣，才有了平流層（距離地表約 10-50km）的存在。在平流層中，臭氧在陽光的作用下不斷重復(fù)著生成和破壞的化學(xué)反應(yīng)。

臭氧濃度并不是垂直均勻分布的，它隨海拔高度而變化。臭氧濃度最大值（0.0015%）出現(xiàn)在海拔 30 到 35 公里之間。其水平分布也不均勻，在世界三極地區(qū)，即南極、北極和青藏高原由于氣候寒冷，臭氧層更加稀薄。

臭氧濃度垂直分布

圖片來源：NASA

既然臭氧層遍布全球，人們是怎么發(fā)現(xiàn)南極出現(xiàn)一個大窟窿的呢？

南極上空的臭氧層空洞

圖片來源：NOAA

誰發(fā)現(xiàn)了臭氧層空洞

最初，制冷和空調(diào)系統(tǒng)使用的制冷劑是易燃有毒的。20 世紀(jì) 30 年代初，小托馬斯 · 米基雷（Thomas Midgely Jr.）帶領(lǐng)團隊研發(fā)出了無毒、且不易燃的制冷劑替代品 - 氯氟烴（CFCs），便宜好用，深受歡迎。到 20 世紀(jì) 70 年代初，全球范圍內(nèi)氯氟烴的年產(chǎn)量達(dá)到了近 100 萬噸，在化學(xué)工業(yè)中占了大約 5 億美元的份額。

1974 年，科學(xué)家馬里奧 · 莫利納（Mario Molina）和舍伍德 · 羅蘭德（F. Sherwood Rowland）發(fā)表了一篇論文，指出 CFCs 雖然對人體無害，但可能破壞地球平流層的臭氧。這一發(fā)現(xiàn)遭到了產(chǎn)業(yè)界的攻擊，研究也受到了科學(xué)家的質(zhì)疑。

1985 年，英國南極調(diào)查局的三位大氣科學(xué)家喬 · 法曼（Joe Farman）、布萊恩 · 加德納（Brian Gardiner）和喬納森 · 尚克林（Jonathan Shanklin）在《自然》雜志發(fā)表論文，首次證實了臭氧洞的存在。

他們發(fā)現(xiàn)南極哈雷（Halley）站和法拉第（Faraday）站上空平流層臭氧水平出現(xiàn)了意料之外的大幅下降。他們的數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過大約 20 年的穩(wěn)定后，臭氧水平在 20 世紀(jì) 70 年代末左右的南方春季月份開始下降。到 1984 年 10 月，哈雷站上空平流層的臭氧層只有前幾十年的三分之二厚，喬 · 法曼等人大膽地認(rèn)為這與人類使用的 CFCs 有關(guān)，這種化合物由于無毒便宜經(jīng)常用于氣霧劑罐和冰箱等冷卻設(shè)備。這一現(xiàn)象后來被稱為南極臭氧空洞。

1979-2012 年觀測到的臭氧層空洞范圍變化

圖片來源：NASA

很快的，1986 年，美國國家海洋和大氣管理局的研究員蘇珊 · 所羅門（Susan Solomon）帶領(lǐng)科學(xué)家們通過建立大氣模型，終于解釋了 CFCs 影響臭氧層的化學(xué)機制。

通過 10 年的不斷努力，科學(xué)家們最終確定 CFCs 的氯是造成南極臭氧損失的最主要原因，極地渦旋和極地平流層云冰粒的存在加速了這一過程，并且在北極也發(fā)生了同樣的化學(xué)反應(yīng)。實際上不止是兩極，臭氧趨勢委員會于 1988 年發(fā)布的一個報告證實臭氧損耗全球都存在。至此，臭氧層空洞及背后的秘密終于被揭開，這一發(fā)現(xiàn)震驚了世界。因 " 對大氣化學(xué)的研究工作，特別是臭氧的形成與分解 "，莫利納和羅蘭德獲得了 1995 年諾貝爾化學(xué)獎。

1995 年獲得諾貝爾化學(xué)獎的三位科學(xué)家

圖片來源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline

臭氧層空洞，是個洞么？其實不是

臭氧層空洞，聽起來就像是臭氧層漏了個洞？這個洞到底有多大呢，我們又是怎么判定的？

臭氧觀測的主要方式

圖片來源 ·：NOAA

每天，科學(xué)家會通過站點儀器監(jiān)測臭氧的變化，還會通過氣球、飛機和衛(wèi)星探測不同高度上的臭氧含量。

科學(xué)家正準(zhǔn)備放探測氣球

圖片來源：NOAA

臭氧空洞并不是指某個地區(qū)上空完全沒有臭氧，也并非是一直都存在，而是指在南半球的春天 ( 8 月 -10 月 ) 開始時，發(fā)生在南極上空平流層的一個臭氧異常消耗的區(qū)域。南極臭氧層空洞最大的時候曾達(dá)到 2950 萬平方公里，相當(dāng)于 3 個中國的面積。

臭氧層到底有沒有 " 洞 "，其實是總臭氧柱說了算。

南極上空的臭氧層空洞

圖片來源：NASA

臭氧空洞的面積是根據(jù)總臭氧柱圖確定的，科學(xué)家以 220 多布森 ( DU ) 為單位來判定。

多布森 ( DU ) 是測量臭氧總量的單位，以英國物理學(xué)家和氣象學(xué)家戈登 · 多布森（Gordon Dobson）的名字命名。如果把所有的臭氧放在一個從地球表面一直延伸到太空的空氣柱中，把所有的臭氧放在標(biāo)準(zhǔn)溫度 ( 0 攝氏度 ) 和標(biāo)準(zhǔn)氣壓 ( 1013.25Pa，或一個大氣壓，用 atm 表示 ) 下，它等于在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下千分之一厘米臭氧層的厚度。300DU 標(biāo)態(tài)下表示單位面積上有 3mm 厚臭氧，而這正是地球上空臭氧的平均總量值。

之所以選擇 220DU 為判定標(biāo)準(zhǔn)，是因為在 1979 年以前的南極洲歷史觀測中，沒有發(fā)現(xiàn)臭氧總量低于 220 多布森單位。此外，從對南極洲上空的直接測量結(jié)果來看，臭氧水平低于 220 多 DU 是氯和溴化合物造成臭氧損失的結(jié)果。被 220DU 線包圍的區(qū)域計算出來的，就是被公布的臭氧空洞的面積。所以，臭氧層空洞根本不是一個洞，而是臭氧含量的低值區(qū)。

臭氧層修復(fù)行動

從 1986 年確定發(fā)現(xiàn) CFCs 破壞了臭氧層到全球人類自發(fā)決定采取行動修復(fù)它，可以說是氣候行動主義歷史上最快速也是最成功的故事之一。

1987 年《蒙特利爾議定書》落定

圖片來源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline

1987 年 9 月 16 日，美國和其他 45 個國家簽署了《蒙特利爾議定書》，議定書承諾各簽署國逐步淘汰損害臭氧層的鹵化化合物，包括氯氟烴、氟氯烴和含溴碳?xì)浠衔铮越档痛髿庵械穆群弯逅剑p輕進一步的臭氧消耗。我國于 1991 年加入議定書。到今天，已有 197 個國家批準(zhǔn)了這項條約。這是聯(lián)合國歷史上第一個被普遍通過的條約，這一天也在全球范圍內(nèi)被標(biāo)記為國際臭氧層保護日。

隨著科學(xué)家對臭氧消耗物的深入了解，2016 年 10 月 15 日，盧旺達(dá)基加利通過了《基加利修正案》，將氫氟碳化物（HFCs）這一人工合成的強溫室氣體納入《蒙特利爾議定書》管控范圍，我國也于 2021 年成為該修正案第 122 個締約方。正是在全世界人們的共同努力下，超過 98% 的臭氧層消耗物被淘汰。

2016 年，蘇珊 · 所羅門和她的同事發(fā)表在 science 上的研究提出，在《蒙特利爾議定書》生效近 30 年后，南極臭氧空洞終于出現(xiàn)了消失的跡象，南極洲上空的臭氧量已經(jīng)開始增加。

自 2000 年以來，9 月（臭氧層空洞最明顯的月份）檢測到了臭氧柱數(shù)量的增加，臭氧濃度垂直剖面的變化，以及臭氧空洞面積的減小。通過利用數(shù)值模式模擬地球變化，他們直接證實了《蒙特利爾議定書》的作用。觀測結(jié)果與模式預(yù)測相符，超過一半的空洞減少可以歸結(jié)為大氣中氯的減少。

美國國家航空航天局 ( NASA ) 聯(lián)合主席保羅 · 紐曼 ( Paul Newman ) 也表示 :" 如果不采取這些措施，到 2065 年，臭氧層的三分之二將被破壞。"NOAA 研究指出，如果今天大氣中氯氟烴的氯含量和本世紀(jì)初一樣高，那么在同樣的天氣條件下，2021 年的臭氧空洞可能會擴大約 400 萬平方公里。

這張圖描繪了自 1979 年至今臭氧消耗高峰季節(jié)南極臭氧空洞的平均范圍，可以發(fā)現(xiàn)該范圍已經(jīng)呈現(xiàn)下降趨勢。

圖片來源：NOAA

一切看起來都在向更好的未來前進。那么，南極臭氧層空洞到底什么時候才能完全修復(fù)呢？

聯(lián)合國一份報告認(rèn)為，如果一切按計劃進行，到 21 世紀(jì) 60 年代，臭氧層空洞可能會被修復(fù)。在其他臭氧消耗不那么嚴(yán)重的地區(qū)，恢復(fù)正常可能會更快。北極和北半球中緯度地區(qū)的臭氧水平可能會在本世紀(jì) 30 年代達(dá)到這個水平，而南半球中緯度地區(qū)的臭氧水平可能會在本世紀(jì)中葉達(dá)到上世紀(jì) 80 年代的水平。

故事仍未結(jié)束

需要指出的是，CFCs 在 20 世紀(jì) 90 年代停止生產(chǎn)，這意味著即使在完全停止生產(chǎn) CFCs 很長一段時間后，使用 CFCs 制冷的舊設(shè)備被處理或銷毀的過程中，CFCs 排放仍將繼續(xù)向大氣中提供極具破壞性、壽命長的氣體。由于其壽命為 50 到 100 年，所以 20 世紀(jì) 70 年代和 80 年代產(chǎn)生的氯分子仍在大氣中存在。而到目前為止，我們依然可以在北極、在熱帶發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞現(xiàn)象。但是不可否認(rèn)的是，在大家的共同努力下，故事在慢慢往更積極樂觀的方向發(fā)展。

從太空中看到的地球大氣層

圖片來源：NASA

在今天，我們依然提起臭氧層空洞和臭氧層保護，是為了提醒大家，一個新的艱難挑戰(zhàn)正擺在我們面前——全球變暖。

雖然臭氧消耗和全球變暖是兩個不同的問題，但同一個大氣使得他們交織在一起——許多臭氧消耗化合物也是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體。部分研究認(rèn)為，溫室氣體導(dǎo)致的變暖加劇改變了大氣中的行星環(huán)流，從而導(dǎo)致熱帶地區(qū)臭氧減少，北極和中緯度地區(qū)臭氧增加。

但正如卡羅門所說：" 臭氧層保護給了我們希望，我們不應(yīng)該害怕解決面臨的大型環(huán)境問題。" 在 30 年前，我們就可以團結(jié)一心保護臭氧層，那么我們有理由相信，人類有能力，并且有希望，通過全球協(xié)作解決人類共同面臨的氣候環(huán)境問題。

我們始終需要科學(xué)的指引。因為 "科學(xué)不會告訴我們該做什么，但會告訴我們這么做或那么做的結(jié)果。是否要為氣候變化采取行動不是靠科學(xué)家來說的，而是一種社會責(zé)任，是道德問題。"（馬里奧 · 莫利納）