今年1月9號，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署發(fā)布了一個好消息，如果保持現(xiàn)行舉措，南極上空的臭氧空洞將在2066年恢復到1980年的水平。這意味著人類將首次通過合作解決一個攸關文明存續(xù)的重大環(huán)境問題。災難是可以被逆轉(zhuǎn)的，勝利的曙光來之不易，這背后是人類對地球從無知破壞到危機自救的故事。 文章講解臭氧層危機的來龍去脈以及臭氧空洞如何改變地球氣候，信息量比較大，希望你能耐心看完。 地球的大氣層是一個厚達幾百公里的巨大空氣層，這里面的空氣從密度、溫度到成分其實都千差萬別。比如我們經(jīng)常講的西風帶就位于對流層，大概在八到18公里高度，在這之上到50公里高度都是平流層。這里空氣稀薄，密度只有吸風帶的6%-8%，但大氣中90%的臭氧都在這里，如果把這些臭氧壓縮到常溫下的一個大氣壓，密度其實只有五毫米后。臭氧和氧氣都是由氧原子構(gòu)成，氧氣是兩個氧原子，臭氧是三個，但化學和物理性質(zhì)完全不同。臭氧對太陽紫外輻射有強烈的吸收作用，所以能阻擋強紫外輻射到達地面，如果沒有它的保護，強烈的紫外輻射會灼傷人體皮膚，甚至引起癌變。所以臭氧加起來雖然只有薄薄的五毫米，卻攸關我們的命運。 上世紀20年代，人類才開始定期觀測大氣中的臭氧含量。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(lián)、新西蘭甚至北極圈的斯皮茨貝爾根群島開展觀測，但這些觀測點基本都在北半球，南半球很少，南極大陸在當時還完全沒有觀測點。二戰(zhàn)后，英國皇家學會的探險隊在南極布倫特冰架上建立哈雷考察站，開展長期的大氣觀測。當時沒人能想到，哈雷站的臭氧記錄將在30多年后震驚全世界，徹底顛覆人們對人與自然關系的認知。1974年，美國人馬里奧莫利娜和舍伍德羅蘭在自然雜志發(fā)表文章，提出氟氯烴氣體對臭氧層構(gòu)成威脅。氟氯烴就是我們常說的弗利昂中的一種，主要用作空調(diào)的制冷劑。他們提出，氯氟烴的化學性質(zhì)原本十分穩(wěn)定，但在擴散到臭氧層后，會在紫外輻射下分解出氯原子，而氯原子正是臭氧分解的高效催化劑。他們預估，如果氯氟烴按照當時10%的年增長率繼續(xù)生產(chǎn)，大氣中的臭氧將會在20年后減少5%-7%，在75年后減少30%-50%。當時政府、工業(yè)界和科學家在這個問題上產(chǎn)生了巨大分歧，畢竟全美的綠福廳產(chǎn)業(yè)價值80億美元，或直接或間接雇傭了140萬勞動者，斷了氟氯烴就斷了他們的飯碗，化工巨頭是不可能答應的。他們游說政府部門延緩或者放棄禁用氟氯烴的計劃，還大把氪金在媒體上獲取大眾的支持。科學界勢單力孤，自然無力阻止玉福廳在十年內(nèi)繼續(xù)加大力度生產(chǎn)。 十年后的1985年，英國南極調(diào)查局的科學家在自然雜志上發(fā)表了震驚全世界的發(fā)現(xiàn)，他們分析了哈雷站自1956年建站以來的臭氧觀測資料。發(fā)現(xiàn)南極哈雷灣上空的大氣中春季臭氧總量在1977到1984年間減少了40%多，這一數(shù)字遠超十年前的預估，相當于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，全社會對氯氟烴的態(tài)度隨之改變。 1987年，國際社會簽署關于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書，承諾加強對消耗臭氧層物質(zhì)的管控，這其中包括美、蘇、德、法、英等世界重要工業(yè)國，是要將氟氯烴的排放徹底壓下去。我國在1991年加入了公約，成為公約締約方。我們現(xiàn)在買到的空調(diào)已經(jīng)基本不再使用氯氟烴，而用氫氟烴，這里需要說明的是，消耗臭氧物質(zhì)不僅包含氯氟烴，也包含四氯化碳、哈龍和甲基溴等化合物，這些物質(zhì)在平流層被紫外線照射后，會分解出氯自由基或溴自由基，進一步和臭氧發(fā)生復雜的連鎖反應，消耗臭氧層。經(jīng)過多年研究，臭氧層阻擋紫外線、保護地表生物的功能早已深入人心。如果沒有臭氧，動植物會暴露在高強度的紫外輻射下，遺傳物質(zhì)會受損，癌變率增加，植物生長節(jié)律紊亂，甚至會畸形發(fā)育。 不過，近些年人類發(fā)現(xiàn)臭氧還可以改變氣候，更準確的說是平流層的化學變化會改變地球氣候。去年，我國經(jīng)歷了1961年以來的最熱夏天，人們對全球變暖的擔憂再次沖上頂點，但全球變暖遠比我們想的要復雜。雖然全球地表的平均溫度呈上升趨勢，但升溫在時間上并不是持續(xù)的。1998到2012年就屬于全球變暖停滯，升溫在空間上也不是均勻的，有些區(qū)域的溫度變化并不大，有。的，甚至還降溫了。在垂直方向上，大氣層不同高度的溫度變化趨勢也不一樣。比如臭氧所在的平流層，中高層就在以每十年約0.6度的溫度降溫，主要原因就是臭氧消耗。由于臭氧能吸收紫外輻射，紫外線的能量就轉(zhuǎn)化為分子動能加熱平流層，而且是越高的地方越熱，這與靠近地面時海拔越高就越冷的日常經(jīng)驗完全不同。如果臭氧越來越少，更多紫外輻射就會直接穿透平流層，導致平流層溫度下降，但能量不會消失，只會轉(zhuǎn)移更多能量到達地面，就會加熱。我們?nèi)祟愃诘膶α鲗樱捎诔粞跻彩菧厥覛怏w，很多人覺得臭氧減少能減弱變暖，但其實消耗臭氧的物質(zhì)也是溫室氣體，溫室效應還比臭氧大一個數(shù)量級，相當于退一步進十步，綜合效果就是近地面更熱了。 地球操作系統(tǒng)牽一發(fā)而動全身。臭氧空洞除了直接影響熱量的分配，還可能以一種復雜的方式影響風和海洋，間接加劇地球升溫。我們知道，赤道和極地之間存在溫差，這一溫差使得高空空氣涌向極地，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，變?yōu)榄h(huán)繞地球的西風帶。溫差越大，西風帶就越強。這種吸風帶不光存在于對流層，也存在于平流層。南極出現(xiàn)臭氧空洞，意味著南極上空的平流層溫度下降，圍繞南極平流層的吸風和極地渦旋就會變得更快更強。上面平流層的溫度、氣壓、風場會通過十分復雜的過程，經(jīng)過大約半個月時間，把異常信號傳遞給下面的對流層，導致環(huán)繞南極大陸的西風帶也跟著增強。增強的西風會加速南大洋的海水流速。南極繞急流變得更快了，與此同時，東西方向的風也會造成南北方向的海水運動。這在海洋物理學上稱為?？寺斔汀Ｒ馕吨鴷写罅康谋韺雍Ｋ淮迪虮狈?，表層海水被吹走，下面較為溫暖的海水就會涌上來，南冰洋的表面溫度隨之上升，漂在海上的海冰就會加速融化。 總之，在理論層面，經(jīng)過復雜的傳導機制，臭氧的損失會轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳蟊韺雍Ｋ膿p失，進而轉(zhuǎn)變?yōu)楹１膿p失。但現(xiàn)實遠比理論要復雜，南極海冰在過去40年里有擴張也有收縮。2015年之前，南極海冰在夏季呈擴張趨勢，但在一六年之后就迅速縮小。目前的氣候模式還難以模擬這樣的變化，所以臭氧對海冰的影響還難以證明，畢竟一個原因可以牽動多條因果鏈，并且以不同的權(quán)重作用于終點。這種復雜性也是研究地球操作系統(tǒng)的魅力所在，自從蒙特利爾議定書簽訂以來，全球已經(jīng)淘汰了百分之99的消耗臭氧物質(zhì)，臭氧層也有望在本世紀內(nèi)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，這是由于協(xié)定書的落實，目前南極臭氧空洞引起的大氣環(huán)流變化已經(jīng)基本停止，隨著臭氧層恢復，由臭氧損耗引起的大氣環(huán)流變化也會在未來得到補償。但作為全球氣候變化的最大推手，溫室氣體在本世紀應該還會繼續(xù)增加。之前提到的消耗臭氧物質(zhì)也是重要的溫室氣體，比如其中的一氟三氯甲烷的大氣增暖效應就是等量二氧化碳的5160倍。如果人類繼續(xù)履行蒙特利爾議定書，減少消耗臭氧物質(zhì)，甚至可以減緩全球變暖0.5到一度，和植樹造林具有同等重要的意義。 如今，蒙特利爾議定書的效果才剛剛顯現(xiàn)，未來臭氧層能否完全恢復還未可知。但毋庸置疑的是，人類通過團結(jié)協(xié)作避免了一場重大災難。團結(jié)毫無疑問是文明在地球上延續(xù)的必要條件，畢竟我們在地球面前還是太過渺小了。