浅谈臭氧层空洞对地球气候和埃克曼输送的作用及影响

今年1月9号，世界气象组织和联合国环境署发布了一个好消息，如果保持现行举措，南极上空的臭氧空洞将在2066年恢复到1980年的水平。这意味着人类将首次通过合作解决一个攸关文明存续的重大环境问题。灾难是可以被逆转的，胜利的曙光来之不易，这背后是人类对地球从无知破坏到危机自救的故事。 文章讲解臭氧层危机的来龙去脉以及臭氧空洞如何改变地球气候，信息量比较大，希望你能耐心看完。 地球的大气层是一个厚达几百公里的巨大空气层，这里面的空气从密度、温度到成分其实都千差万别。比如我们经常讲的西风带就位于对流层，大概在八到18公里高度，在这之上到50公里高度都是平流层。这里空气稀薄，密度只有吸风带的6%-8%，但大气中90%的臭氧都在这里，如果把这些臭氧压缩到常温下的一个大气压，密度其实只有五毫米后。臭氧和氧气都是由氧原子构成，氧气是两个氧原子，臭氧是三个，但化学和物理性质完全不同。臭氧对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用，所以能阻挡强紫外辐射到达地面，如果没有它的保护，强烈的紫外辐射会灼伤人体皮肤，甚至引起癌变。所以臭氧加起来虽然只有薄薄的五毫米，却攸关我们的命运。 上世纪20年代，人类才开始定期观测大气中的臭氧含量。牛津大学的研究员戈登多布森组织世界各地的科学家在美国、埃及、印度、苏联、新西兰甚至北极圈的斯皮茨贝尔根群岛开展观测，但这些观测点基本都在北半球，南半球很少，南极大陆在当时还完全没有观测点。二战后，英国皇家学会的探险队在南极布伦特冰架上建立哈雷考察站，开展长期的大气观测。当时没人能想到，哈雷站的臭氧记录将在30多年后震惊全世界，彻底颠覆人们对人与自然关系的认知。1974年，美国人马里奥莫利娜和舍伍德罗兰在自然杂志发表文章，提出氟氯烃气体对臭氧层构成威胁。氟氯烃就是我们常说的弗利昂中的一种，主要用作空调的制冷剂。他们提出，氯氟烃的化学性质原本十分稳定，但在扩散到臭氧层后，会在紫外辐射下分解出氯原子，而氯原子正是臭氧分解的高效催化剂。他们预估，如果氯氟烃按照当时10%的年增长率继续生产，大气中的臭氧将会在20年后减少5%-7%，在75年后减少30%-50%。当时政府、工业界和科学家在这个问题上产生了巨大分歧，毕竟全美的绿福厅产业价值80亿美元，或直接或间接雇佣了140万劳动者，断了氟氯烃就断了他们的饭碗，化工巨头是不可能答应的。他们游说政府部门延缓或者放弃禁用氟氯烃的计划，还大把氪金在媒体上获取大众的支持。科学界势单力孤，自然无力阻止玉福厅在十年内继续加大力度生产。 十年后的1985年，英国南极调查局的科学家在自然杂志上发表了震惊全世界的发现，他们分析了哈雷站自1956年建站以来的臭氧观测资料。发现南极哈雷湾上空的大气中春季臭氧总量在1977到1984年间减少了40%多，这一数字远超十年前的预估，相当于实锤了氯氟烃对臭氧层的杀伤力。一石激起千层浪，科学界掀起了大气臭氧化学和动力学的研究热潮，理论和观测同时证明了人类对自然具有超乎想象的破坏力，全社会对氯氟烃的态度随之改变。 1987年，国际社会签署关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，承诺加强对消耗臭氧层物质的管控，这其中包括美、苏、德、法、英等世界重要工业国，是要将氟氯烃的排放彻底压下去。我国在1991年加入了公约，成为公约缔约方。我们现在买到的空调已经基本不再使用氯氟烃，而用氢氟烃，这里需要说明的是，消耗臭氧物质不仅包含氯氟烃，也包含四氯化碳、哈龙和甲基溴等化合物，这些物质在平流层被紫外线照射后，会分解出氯自由基或溴自由基，进一步和臭氧发生复杂的连锁反应，消耗臭氧层。经过多年研究，臭氧层阻挡紫外线、保护地表生物的功能早已深入人心。如果没有臭氧，动植物会暴露在高强度的紫外辐射下，遗传物质会受损，癌变率增加，植物生长节律紊乱，甚至会畸形发育。 不过，近些年人类发现臭氧还可以改变气候，更准确的说是平流层的化学变化会改变地球气候。去年，我国经历了1961年以来的最热夏天，人们对全球变暖的担忧再次冲上顶点，但全球变暖远比我们想的要复杂。虽然全球地表的平均温度呈上升趋势，但升温在时间上并不是持续的。1998到2012年就属于全球变暖停滞，升温在空间上也不是均匀的，有些区域的温度变化并不大，有。的，甚至还降温了。在垂直方向上，大气层不同高度的温度变化趋势也不一样。比如臭氧所在的平流层，中高层就在以每十年约0.6度的温度降温，主要原因就是臭氧消耗。由于臭氧能吸收紫外辐射，紫外线的能量就转化为分子动能加热平流层，而且是越高的地方越热，这与靠近地面时海拔越高就越冷的日常经验完全不同。如果臭氧越来越少，更多紫外辐射就会直接穿透平流层，导致平流层温度下降，但能量不会消失，只会转移更多能量到达地面，就会加热。我们人类所在的对流层，由于臭氧也是温室气体，很多人觉得臭氧减少能减弱变暖，但其实消耗臭氧的物质也是温室气体，温室效应还比臭氧大一个数量级，相当于退一步进十步，综合效果就是近地面更热了。 地球操作系统牵一发而动全身。臭氧空洞除了直接影响热量的分配，还可能以一种复杂的方式影响风和海洋，间接加剧地球升温。我们知道，赤道和极地之间存在温差，这一温差使得高空空气涌向极地，在地转偏向力的作用下，变为环绕地球的西风带。温差越大，西风带就越强。这种吸风带不光存在于对流层，也存在于平流层。南极出现臭氧空洞，意味着南极上空的平流层温度下降，围绕南极平流层的吸风和极地涡旋就会变得更快更强。上面平流层的温度、气压、风场会通过十分复杂的过程，经过大约半个月时间，把异常信号传递给下面的对流层，导致环绕南极大陆的西风带也跟着增强。增强的西风会加速南大洋的海水流速。南极绕急流变得更快了，与此同时，东西方向的风也会造成南北方向的海水运动。这在海洋物理学上称为埃克曼输送。意味着会有大量的表层海水被吹向北方，表层海水被吹走，下面较为温暖的海水就会涌上来，南冰洋的表面温度随之上升，漂在海上的海冰就会加速融化。 总之，在理论层面，经过复杂的传导机制，臭氧的损失会转变为南冰洋表层海水的损失，进而转变为海冰的损失。但现实远比理论要复杂，南极海冰在过去40年里有扩张也有收缩。2015年之前，南极海冰在夏季呈扩张趋势，但在一六年之后就迅速缩小。目前的气候模式还难以模拟这样的变化，所以臭氧对海冰的影响还难以证明，毕竟一个原因可以牵动多条因果链，并且以不同的权重作用于终点。这种复杂性也是研究地球操作系统的魅力所在，自从蒙特利尔议定书签订以来，全球已经淘汰了百分之99的消耗臭氧物质，臭氧层也有望在本世纪内恢复到1980年的状况。美国气象学家安塔拉班纳吉等人的研究指出，这是由于协定书的落实，目前南极臭氧空洞引起的大气环流变化已经基本停止，随着臭氧层恢复，由臭氧损耗引起的大气环流变化也会在未来得到补偿。但作为全球气候变化的最大推手，温室气体在本世纪应该还会继续增加。之前提到的消耗臭氧物质也是重要的温室气体，比如其中的一氟三氯甲烷的大气增暖效应就是等量二氧化碳的5160倍。如果人类继续履行蒙特利尔议定书，减少消耗臭氧物质，甚至可以减缓全球变暖0.5到一度，和植树造林具有同等重要的意义。 如今，蒙特利尔议定书的效果才刚刚显现，未来臭氧层能否完全恢复还未可知。但毋庸置疑的是，人类通过团结协作避免了一场重大灾难。团结毫无疑问是文明在地球上延续的必要条件，毕竟我们在地球面前还是太过渺小了。