科学如何拯救臭氧层

拓牛李强

确定中国地方站测量的CFC-11排放源的反向轨迹。学分:布里斯托尔大学

（）据对话（凯西·克莱伯）：2023年1月9日，联合国发布了关于臭氧层状况的最新报告。它强调指出，这一保护屏障正在恢复，并应在21世纪下半叶完全恢复。

迫切需要有助于限制气候变化的解决方案，但有效的决策仍然具有挑战性。鉴于这种情况，值得回顾导致签署1987年《蒙特利尔议定书》的科学传奇。

该案文是科学家、实业家和决策者杰出协调努力的结果，是第一个获得一致批准的环境协定。今天，该条约及其随后的修正案为彻底消除破坏臭氧层的物质铺平了道路。

不可或缺的臭氧

正如2023年年度报告所指出的，南极洲上空的臭氧洞每年9月至11月都会重现。在这三个月期间，臭氧浓度下降到220多布森单位以下。

臭氧通过将最强的紫外线吸收到大气的上游(地球表面以上10到50公里)来保护我们免受太阳辐射。因此，没有臭氧就意味着地球上没有生命。

我们早就知道哪种化学过程会产生和破坏这种充满平流层的大气化合物。事实上，自从两次世界大战之间的时期(1919-1939)以来，臭氧测量就已经开始了。但从20世纪80年代开始，越来越多的臭氧监测设备被开发出来，从地面仪器到气象研究所定期释放的气象气球，以及监测全球臭氧分布的卫星。

早在20世纪80年代，科学家们就担心超音速飞行和其他潜在扰动对这一稳定的大气层的影响，与靠近地球的大气层相比，这一稳定的大气层受气团的影响较小。

南极洲上空的问号

1984年，一项发现促使科学界优先考虑的事情发生了根本性的转变。两个独立的小组——一个来自日本，另一个来自美国——报告说每年10月在南极洲上空观察到臭氧的损耗，而且这种损耗一年比一年严重。他们发现的第一个困惑是，在地球上一个本应不受人类排放影响的地区观察到了浓度的降低。

人们很快就开始怀疑氯代化合物，主要目标是含氯氟烃和哈龙。20世纪60年代，这些“神奇”的工业化合物变得随处可见。从那时起，它们被用于从推进剂到制冷和空调、泡沫制造、灭火器等等的方方面面。

这些化学物质的优点是非常稳定(在大气中存留50至100年)，对健康无害。然而，与人类活动产生的大多数污染物不同，它们不会在对流层中被破坏，因此可以到达平流层。

化学家进行了实验室实验，证明氯和溴原子能够与臭氧分子混合，从而破坏它们。(他们因这一发现获得了诺贝尔奖。)

但是科学家们仍然有其他难题需要解决。为什么这种大范围的破坏只发生在南极？为什么卫星没有发出任何警告？

在后一种情况下，发现处理观测数据和丢弃异常数据的计算机代码一直在系统地拒绝测量值，因为与通常在地球两极测量的预期浓度相比，这些值太低了。

为了阐明这一现象，观测活动导致了气象气球和飞机的发展，用于测量不同高度的臭氧。

他们的观察表明，在15到20平方公里的范围内，臭氧已经被完全破坏了(被称为“臭氧洞”)。但是为什么这种损耗在大气中臭氧最多的较高区域，特别是在我们头顶上方25公里处不那么明显呢？

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1985年:觉醒

当这个谜题在1985年被解开时，三个“成分”被揭示出在起作用:平流层的动力学在冬天以漩涡的形式捕获了非常冷的气团；当这些涡流内部的温度下降到大约-80摄氏度时，会产生特定的云类型(即极地平流层云)；春天阳光更强，这将在这些云的表面引发一系列催化反应，包括前几周积累的稳定的氯化和溴化化合物。

这些发现引起了多米诺骨牌效应，最终导致联合国在同年签署了《保护臭氧层维也纳公约》。该案文承认需要加强国际合作，以限制人为对这一层的破坏。基于这一共识，两年后《蒙特利尔议定书》诞生了。

虽然当时的工业家提议使用更具反应性的替代品，这些替代品在到达平流层之前就会分解，但科学界承诺每四年发表一次科学报告。这些权威报告将整理所有关于臭氧及其演变的可用信息。

就目前情况来看，臭氧空洞还没有消失，因为相当数量的氯氟烃和哈龙仍然留在平流层。然而，这些物质的浓度正在迅速下降，科学家们今天认为臭氧层正在“缓解”。事实上，几年来的测量显示，臭氧洞不再扩大，而是逐渐缩小。

目前的知识预测，一旦所有有害物质从平流层中消失，它将在2060年至2070年之间的某个时候恢复平衡。

潜在延误

然而，有几个原因导致这种再平衡的生效日期比目前预测的要晚。首先，所有国家都必须信守承诺。2018年，根据遍布全球的监测站的数据，研究人员检测到CFC-11的浓度没有以应有的速度下降。通过回溯分析，他们确定相关排放来自中国东部省份。

另一个原因，部分解释了为什么这个过程已经稍微落后于最初的估计，与大气低层的变暖有关。本质上，当大气层底部吸收更多能量时，平流层由于补偿效应而降温。天气变得越冷，极地平流层云形成得越快，这反过来破坏了更多的臭氧。

第三个潜在原因与气候工程有关，特别是故意将悬浮粒子送入平流层以模拟火山爆发并偏转部分太阳光线的技术。进行了一项模拟南极洲上空粒子注入的实验。其结果发现，尽管全球气温将下降0.5摄氏度，但臭氧空洞将恢复到类似于20世纪90年代观察到的高水平破坏。

前进的道路？

臭氧层恢复可以作为减缓气候变化的模板。众所周知，人类引起的温室气体排放阻挡了红外辐射，并已经导致气温上升。

政府间气候变化专门委员会的报告每五至六年为决策者汇编一次最新的科学知识。2015年巴黎协议等雄心勃勃的国际协议已经到位，以将全球气温上升保持在“远低于2摄氏度”。

但这里最大的不同是规模。仅仅说服少数工业家找到合适的化学替代品是不够的；我们需要的是彻底改变我们依赖化石燃料的社会的运作方式。