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？

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30年代初，小托馬斯 米基雷（Thomas Midgely Jr.）帶領團隊研發(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70年代初，全球范圍內(nèi)氯氟烴的年產(chǎn)量達到了近100萬噸，在化學工業(yè)中占了大約5億美元的份額。

　　1974年，科學家馬里奧 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，研究也受到了科學家的質疑。

　　1985年，英國南極調(diào)查局的三位大氣科學家喬 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 法曼等人大膽地認為這與人類使用的CFCs有關，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）帶領科學家們通過建立大氣模型，終于解釋了CFCs影響臭氧層的化學機制。

　　通過10年的不斷努力，科學家們最終確定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)生了同樣的化學反應。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年諾貝爾化學獎。

　　1995年獲得諾貝爾化學獎的三位科學家  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。

　　科學家正準備放探測氣球  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到2950萬平方公里，相當于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，以英國物理學家和氣象學家戈登 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準溫度(0攝氏度)和標準氣壓(1013.25Pa，或一個大氣壓，用atm表示)下，它等于在標準大氣狀態(tài)下千分之一厘米臭氧層的厚度。300DU標態(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為判定標準，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、氟氯烴和含溴碳氫化合物，以降低大氣中的氯和溴水平，并減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)被標記為國際臭氧層保護日。

　　隨著科學家對臭氧消耗物的深入了解，2016年10月15日，盧旺達基加利通過了《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。觀測結果與模式預測相符，超過一半的空洞減少可以歸結為大氣中氯的減少。

　　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呢？

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

故事仍未結束

　　需要指出的是，協(xié)議要求CFCs在20世紀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致全球變暖的溫室氣體。部分研究認為，溫室氣體導致的變暖加劇改變了大氣中的行星環(huán)流，從而導致熱帶地區(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，我們不應該害怕解決面臨的大型環(huán)境問題?！痹?0年前，我們就可以團結一心保護臭氧層，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。

　　我們始終需要科學的指引。因為“科學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果。是否要為氣候變化采取行動不是靠科學家來說的，而是一種社會責任，是道德問題。”（馬里奧 莫利納）

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　　作者單位：中國科學院大氣物理研究所