地球上空，传来一个坏消息

作者：小凯

校稿：朝乾 / 编辑：果栗乘

南极臭氧空洞

大气中90%的臭氧都集中在10-50公里高的平流层，远高于我们熟知的西风带高度，这里空气稀薄，臭氧的总量只相当于常温常压下5毫米厚的一层气体。

人类对大气中臭氧含量的定期观测始于上世纪20年代，英国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，甚至北极圈内的斯匹次卑尔根群岛等地开展定期观测。但对于那个被几公里厚的冰盖覆盖的极寒之地——南极，彼时却没有进行任何测量。

二战后，英国皇家学会的探险队在南极布伦特冰架上建立了哈雷考察站，开展长期的大气观测。当时没人能想到，这里的每一条臭氧记录将在三十多年后震惊世界，彻底颠覆人们对人与自然关系的认知。

根据他们的预估，如果氯氟烃按照当时10%的年增长率继续生产，那么大气中的臭氧将会在20年之后减少5-7%，并且将会在75年之后（也就是现在的27年之后）减少30-50%。

届时，大量紫外辐射可以直接到达地面，很多人会因此患上皮肤癌或白内障，同时平流层的温度还会显著降低，可能会造成破坏性的气候变化。

彼时，科学家、工业界和决策者之间产生了巨大的分歧。全美价值80亿美元的氯氟烃产业或直接或间接地雇佣了超过140万劳动者。行业龙头们大多拒绝放弃使用氯氟烃，他们不仅游说政府部门延缓或者放弃禁止氯氟烃的计划，还试图利用媒体获得大众的支持，这让氯氟烃在十年内仍保持大量生产。

直到1985年，英国南极调查局的大气科学家在《自然》杂志上发表了让全世界震惊的发现。他们分析了哈雷站自1956年建站以来收集到的大气臭氧的观测资料，发现南极哈雷湾上空大气中春季（9、10、11月）的臭氧总量在1977-1984年间减少了40%以上，在此之前的臭氧总量几乎保持不变。

这些数字远远超过莫利纳和罗兰的预估，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。

氯氟烃之罪祸再难遁形。在全社会的努力下，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》，加强对消耗臭氧层物质（ODS）的管控，以应对臭氧层空洞问题。

这里需要说明的是，所谓消耗臭氧物质，不仅包含氯氟烃这种直接破坏臭氧层的化学物质，也包含卤代烃、哈龙和甲基溴等化合物。它们在平流层中受到紫外线的照射后，可以分解出氯自由基或溴自由基，进一步与臭氧发生复杂的连锁反应，从而破坏臭氧层。

臭氧损耗改变地球气候？

经过科学界多年的研究，臭氧层对地球生态系统的影响已经得到证明，其重要性早已深入人心。平流层臭氧损耗后，动物皮肤和植物表皮会暴露在高强度的紫外辐射下，遗传物质受到损害，癌变率增加，植物生长节律紊乱，甚至出现畸形发育。

近些年，随着人们对气候变化的认识逐渐深入，臭氧损耗的气候效应也得到广泛研究。人们发现平流层正在发生的化学变化，正在通过意想不到的方式改变着地球气候。

2022年我国经历了1961年以来的最热夏天，人们对于全球变暖的担忧再一次冲到顶点。但全球变暖只是对气候变化的一种简单表述。

全球变暖其实是指 “从长期来看，全球地表平均温度在工业革命以来越来越高”，而温度的增加在时间上并不是持续的，在空间上也不是均匀的。从时间上看，我们经历了1998-2012年所谓的“全球变暖停滞”，在空间上看，全球很多区域的地表温度在过去40年来没有显著变化，甚至还减小了不少。

如果从垂直方向上观察温度变化，我们就会发现各层大气的温度并不都是增加的。研究表明，全球平流层的中高层正在以每十年大约0.6℃的速度降温，而臭氧和消耗臭氧物质是主要的幕后推手之一。

臭氧能把吸收的紫外辐射转化为分子动能，从而加热平流层，而且是越高的地方越热，这与对流层海拔越高就越冷的生活经验不同。

而当臭氧损耗后，更多的紫外辐射直接穿透了平流层，导致平流层的温度下降。

大气的温度、气压、风、湿度等这些特性是耦合在一起的，温度的变化常常会引起其他特性的变化，进而造成平流层大气环流的异常。

一般而言，平流层因臭氧吸收了大量的紫外辐射而大幅度升温。但这一规律却在一种情况下不成立，那就是南北极的极夜。

极夜期间由于缺乏太阳光照射，平流层不再通过吸收辐射升温，而是通过发出辐射冷却，导致温度急剧下降，从而拉开了与中纬度平流层的温差。

温度的改变带来风场的变化，围绕着极地形成了强烈的西风，西风又牢牢地禁锢住极地的冷空气。这就形成了我们常听到的“极地涡旋”。要注意的是，这里所说的西风在平流层，并非我们一般听到的对流层西风带。

对流层西风带和平流层西风

（纬向平均纬向风-平流层视角 图：ECMWF）▼

南极臭氧空洞形成后，在南半球的春季（9、10、11月）时，南极刚刚从极夜中走出，此时臭氧的辐射效应显现出来，极地温度相比没有臭氧空洞时大幅下降，这就导致因冷而生的极地涡旋增强，环绕南极的西风也更加迅猛。

臭氧空洞的影响并不仅限于平流层，也在很大程度上影响到对流层的天气变化。

这是因为，平流层的温度、气压和风场的变化会以波的形式向对流层传输信号，从而改变对流层内热量和动量的水平输送。总之，经过较为复杂的过程，平流层的异常信号可以在大约半个月之后到达对流层，并在之后的一两个月中持续影响地面天气。

而臭氧空洞造成的平流层西风增强，可以造成地面气压的降低和环绕南极大陆西风（地面）的加速。历史资料统计表明，西风增强的同时往往伴随着向极地的收缩，从而导致对流层的三圈环流(哈德来环流、费雷尔环流和极地环流)也随之向南极移动。

这一作用显著体现在南半球的降水变化中。在南半球夏季，原本位于三圈环流下沉支的区域将迎来更多的降雨，而原本湿润的地区则会容易被干燥的下沉气流占据。南极臭氧损耗会引发南半球环流向南移动，是它最重要的气候效应。

地球气候系统十分复杂，往往牵一发而动全身。臭氧的变化还可以影响海水表面温度和极地海冰，间接造成气候变化。新的证据表明，臭氧的损耗很有可能与温室气体一同导致了1950年以来南大洋海水表面温度的升高。但温室气体占据了主导作用。

臭氧对于海温的影响是通过影响风场来实现的。南大洋上的西风带一边带动海水自西向东运动，一边也将表层的海水从极地吹向赤道。东西风向的风可以造成南北方向的海水运动，这种现象被称为“埃克曼输送”。

由于臭氧的损耗加强了西风，南大洋上更多的表层海水离开原地，下层较为温暖的海水涌上表面，海表面温度也会上升。海面的增暖可能会造成漂浮在南极周围的海冰加速融化，南极海冰可能会进一步减少。

极地的海冰可以强烈反射太阳辐射，对地球的能量平衡调节作用显著。但是南极海冰在过去四十年中呈现出复杂的变化。在2015年之前，南极夏季海冰具有扩张趋势，但是在2016年之后迅速缩小。目前的气候模式难以模拟这样的变化，因此臭氧对于南极海冰的影响难以得到证明。

而北极的情况又有所不同，北半球大陆面积广，人口众多，北极的海冰又与北半球寒潮天气紧密相关。从长期上看，北极的臭氧损耗还没有对北极海冰造成长期持续的影响。但是有研究表明，在北极臭氧损耗比较严重的年份，北极喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海的海冰显著减少。

正在恢复的臭氧层

自从《蒙特利尔议定书》执行以来，全球已经淘汰了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，正是由于《议定书》的影响，目前南极臭氧空洞引起的大气环流变化已经停止。

随着臭氧层恢复，由臭氧损耗引起的大气环流变化在未来可能得到补偿。但作为南半球极涡变化的另一推手，温室气体在本世纪很可能继续增加。因此科学家预估，南半球极涡变化的恢复可能直到在本世纪末才能实现。

消耗臭氧物质同时也是重要的温室气体，例如一氟三氯甲烷引起的大气增暖效应，是同等质量二氧化碳的5160倍。如果人类继续忠实地履行《蒙特利尔协定》，那么由于消耗臭氧物质的减少，到本世纪中期，全球变暖将减少0.5~1℃，其意义不亚于通过植树造林来减缓气候变化。

如今，《蒙特利尔议定书》的气候效应才刚刚显现，未来臭氧层的恢复能否完全逆转臭氧损耗造成的气候变化，仍然是个未知数。

据科学家估计，汤加火山喷发对臭氧层的严重影响，可能会持续4到5年。

臭氧层空洞的再次扩大，或许是在提醒我们，人类只是影响地球操作系统的条件之一，我们虽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变化。