題圖來自：視覺中國
今年 1 月 9 日，世界氣象組織和聯合國環境署發布新聞稱，如果保持現行舉措，南極臭氧層空洞将在 2066 年恢複到 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，面積相當于三個巴西的大小，已經接近曆史最大紀錄。
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，導緻了臭氧的持續快速消耗。
報告指出臭氧層有望在四十年内恢複。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的消耗。現在我們來回顧一下，人類是如何破壞，又如何保護恢複臭氧層的。它的背後，是一段充滿偶然的曲折曆史。
南極臭氧空洞
大氣中 90% 的臭氧都集中在 10~50 公裏高的平流層，遠高于我們熟知的西風帶高度，這裏空氣稀薄，臭氧的總量隻相當于常溫常壓下 5 毫米厚的一層氣體。
臭氧分子在大氣中的相對豐度較低，在平流層中通常每十億個空氣分子隻有幾千個臭氧分子。圖：WMO
人類對大氣中臭氧含量的定期觀測始于上世紀 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，甚至北極圈内的斯匹次卑爾根群島等地開展定期觀測。但對于那個被幾公裏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将在三十多年後震驚世界，徹底颠覆人們對人與自然關系的認知。
橫屏—自 1979 年以來臭氧空洞的年度最大範圍。圖：CAMS ）
1974 年，美國人馬裏奧 · 莫利納和舍伍德 · 羅蘭在《自然》雜志上發表文章，提出氯氟烴 （CFC） 氣體（即我們常說的氟利昂）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。
氯原子被認爲是臭氧破壞的催化劑是因爲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% 的年增長率繼續生産，那麽大氣中的臭氧将會在 20 年之後減少 5~7%，并且将會在 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内障，同時平流層的溫度還會顯著降低，可能會造成破壞性的氣候變化。
光緻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産生了巨大的分歧。全美價值 80 億美元的氯氟烴産業或直接或間接地雇傭了超過 140 萬勞動者。行業龍頭們大多拒絕放棄使用氯氟烴，他們不僅遊說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衆的支持，這讓氯氟烴在十年内仍保持大量生産。
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》雜志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。
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《關于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
這裏需要說明的是，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爲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，臭氧層對地球生态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，随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。
去年我國經曆了 1961 年以來的最熱夏天，人們對于全球變暖的擔憂再一次沖到頂點。但全球變暖隻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，全球地表平均溫度在工業革命以來越來越高 "，而溫度的增加在時間上并不是持續的，在空間上也不是均勻的。從時間上看，我們經曆了 1998~2012 年所謂的 " 全球變暖停滞 "，在空間上看，全球很多區域的地表溫度在過去 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于較長時間尺度上的
動圖感受一下。圖：NASA
如果從垂直方向上觀察溫度變化，我們就會發現各層大氣的溫度并不都是增加的。研究表明，全球平流層的中高層正在以每十年大約 0.6 ℃的速度降溫，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）的全球寬層平均溫度異常的時間序列
臭氧能把吸收的紫外輻射轉化爲分子動能，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，導緻平流層的溫度下降。
1981~2020 年，40 年地表溫度趨勢。圖：IPCC
大氣的溫度、氣壓、風、濕度等這些特性是耦合在一起的，溫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溫。但這一規律卻在一種情況下不成立，那就是南北極的極夜。
極夜期間由于缺乏太陽光照射，平流層不再通過吸收輻射升溫，而是通過發出輻射冷卻，導緻溫度急劇下降，從而拉開了與中緯度平流層的溫差。
溫度的改變帶來風場的變化，圍繞着極地形成了強烈的西風，西風又牢牢地禁锢住極地的冷空氣。這就形成了我們常聽到的" 極地渦旋 "。要注意的是，這裏所說的西風在平流層，并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，極地溫度相比沒有臭氧空洞時大幅下降，這就導緻因冷而生的極地渦旋增強，環繞南極的西風也更加迅猛。
臭氧空洞的影響并不僅限于平流層，也在很大程度上影響到對流層的天氣變化。
這是因爲，平流層的溫度、氣壓和風場的變化會以波的形式向對流層傳輸信号，從而改變對流層内熱量和動量的水平輸送。總之，經過較爲複雜的過程，平流層的異常信号可以在大約半個月之後到達對流層，并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。曆史資料統計表明，西風增強的同時往往伴随着向極地的收縮，從而導緻對流層的三圈環流（哈德萊環流、費雷爾環流和極地環流）也随之向南極移動。
這一作用顯著體現在南半球的降水變化中。在南半球夏季，原本位于三圈環流下沉支的區域将迎來更多的降雨，而原本濕潤的地區則會容易被幹燥的下沉氣流占據。南極臭氧損耗會引發南半球環流向南移動，這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，下圖是計算機模拟的臭氧的影響
地球氣候系統十分複雜，往往牽一發而動全身。臭氧的變化還可以影響海水表面溫度和極地海冰，間接造成氣候變化。新的證據表明，臭氧的損耗很有可能與溫室氣體一同導緻了 1950 年以來南大洋海水表面溫度的升高。但溫室氣體占據了主導作用。
臭氧對于海溫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，一邊也将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，這種現象被稱爲" 埃克曼輸送 "。
埃克曼輸送示意。圖：wiki
由于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，下層較爲溫暖的海水湧上表面，海表面溫度也會上升。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拟這樣的變化，因此臭氧對于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，既觸及曆史高點又觸及曆史低點
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，人口衆多，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
正在恢複的臭氧層
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内恢複到 1980 年的狀況。
美國氣象學家安塔拉 · 班納吉等人的研究指出，正是由于《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
随着臭氧層恢複，由臭氧損耗引起的大氣環流變化在未來可能得到補償。但作爲南半球極渦變化的另一推手，溫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複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溫室氣體，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》，那麽由于消耗臭氧物質的減少，到本世紀中期，全球變暖将減少 0.5~1 ℃，其意義不亞于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，未來臭氧層的恢複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 4~5 年。
臭氧層空洞的再次擴大，或許是在提醒我們，人類隻是影響地球操作系統的條件之一，我們雖然相比别的生物有前所未有的能力，但并不能超越大自然本身的變化。
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本文來自微信公衆号：地球知識局 （ID：diqiuzhishiju），作者：小凱，編輯：果栗乘，校稿：朝乾
