科学好故事|地球的臭氧层空洞现在怎么样了?

  来源:BBC

  撰文:Kira Walker

  翻译:任天

  回顾20世纪90年代,地球的臭氧层空洞已经成为紧迫的全球危机。如果当时我们选择忽视它的话,今天我们见到的可能就不止一个空洞了。

  1970年代末,在剑桥大学的一间办公室里,英国南极调查局的气象学家乔纳森·尚克林花费了大量时间,研究来自地球最南端大陆的积压数据。

  尚克林负责指导纸质记录材料的数字化,并分析多布森分光光度计(测量大气臭氧变化的地面仪器)测量数据的计算值。

  随着时间的流逝,尚克林开始注意到一些正在发生的事情。从将近20年的稳定测量数据中,他注意到南极洲的臭氧水平在20世纪70年代末开始下降。一开始,尚克林的上级对这些结果并不像他那么那么确定,这让他很是沮丧。

  到了1984年,与前几十年相比,南极洲哈雷研究站上空的臭氧层厚度减少了三分之一。尚克林与同事在第二年发表了他们的发现,认为臭氧层厚度的减少与一类被称为氯氟烃(CFCs)的人造化合物有关,这类化合物主要用于喷雾剂和冷却设备。尚克林等人发现的南极洲上空臭氧层变薄现象,被形象地称为“臭氧层空洞”。

  有关这一发现的消息传开后,震惊了全世界。许多人预测,臭氧层的破坏将对人类健康和生态系统产生非常不利的影响,这引发了公众的恐惧。科学界也动员起来,进行了更深入的调查,世界各国政府也以前所未有的方式展开合作。

  臭氧层空洞堪称人类面临的最严重环境问题之一。如今,关于臭氧层空洞的话题已经逐渐淡出人们的视线。那么,在被发现三十多年后,地球极地上空臭氧层的空洞到底如何了?

  重要的现象

  臭氧主要存在于距地球表面10到50千米的大气平流层中。臭氧层在地球上形成了一个无形的保护层,吸收来自太阳的破坏性紫外线辐射。没有它,地球上就不可能有生命。

  20世纪50年代,英国南极调查局首次测量了南极洲上空的臭氧浓度。但几十年之后,问题才逐渐变得清晰起来。

  1974年,科学家马里奥·莫利纳和弗兰克·舍伍德·罗兰发表了一篇论文,从理论上阐述了氯氟烃可能会破坏地球平流层的臭氧。在此之前,人们一直认为氯氟烃是无害的,而莫利纳和罗兰提出,这样的假设是错误的。他们的发现遭到了工业界的攻击,后者坚称氟氯烃产品是安全的。在科学界,莫利纳与罗兰的研究也受到了质疑。相关的预测显示,臭氧层的消耗是十分轻微的——在2%到4%之间——许多人认为,这种消耗将发生在数个世纪的时间尺度上。

  从1928年人工合成之后,氯氟烃的使用一直有增无减。到20世纪70年代,氯氟烃已经在世界各地普遍存在,被用作冰箱和空调的冷却剂、气溶胶喷雾罐和工业清洗剂。仅仅十年之后,也就是1985年,英国南极考察队证实了臭氧层上存在一个“空洞”——平流层下方的臭氧被显著破坏——并提出了该空洞与氯氟烃有关的观点。这证明了莫利纳和罗兰的研究结果是正确的,两人最终获得了1995年的诺贝尔化学奖。更糟糕的消息是,臭氧层消耗的速度比预期的要快得多。

  从那时起,科学家们就开始研究臭氧层空洞现象如何发生,以及为什么会发生。

  一个化学谜团

  1986年,当南极的冬天接近尾声时,一组科学家来到麦克默多基地寻找答案。当时,科学家们正在讨论三种可能的理论,其中一个理论是所罗门提出的,认为极地出现臭氧层空洞的原因可能在于表面化学过程,与极地平流层云中的氯有关;这种云出现在高纬度地区,只有在极地冬季的低温下才会形成。

  这是一个巨大的谜团,所有的数据都表明,人类使用的氯氟烃导致了氯的增加,而极地平流层云的存在是导致这一现象的导火线。

  卫星监测证实,臭氧损耗的范围非常广阔,达到了2000万平方公里。臭氧消耗会对地球生命造成严重威胁,不仅导致人类的皮肤癌和白内障发病率上升,还危害植物生长、农作物和动物的生存,并造成鱼类、蟹类、蛙类和浮游植物(海洋食物链的基础)出现繁殖问题。所有这一切,最终促使世界各国展开国际合作和行动。

  一个值得注意的问题是,臭氧层空洞曾被认为是一个极为严重的威胁,但我们现在似乎不怎么听到相关的消息了,这是为什么呢?

  因为这个问题已经不像过去那样让人担忧了。当然,这主要归功于各国政府采取了前所未有的国际合作措施,对臭氧层空洞问题。

  各国的政策制定者起初认为,臭氧层的消耗很少,而且会持续很长一段时间,因此对臭氧层保护采取了谨慎的态度。1977年,一项全球行动计划号召对臭氧和太阳辐射进行观测,研究臭氧消耗对人类健康、生态系统和气候的影响,并对控制措施进行成本效益评估。就在英国科学家发现臭氧层空洞的几个月前,1985年的《保护臭氧层维也纳公约》(通常简称《维也纳公约》)就此提出了进一步研究的要求。不过,这项公约并没有就减少氟氯烃提出具有法律约束力的控制措施,这让许多人感到失望。

  在发现臭氧层空洞之后,对科学研究的大量投资、对经济资源的调配,以及协调一致的国际政治行动,使局面发生了扭转。

  1987年,联合国邀请所属26个成员国签署了《蒙特利尔议定书》,希望通过逐步淘汰消耗臭氧层的化学物质来保护臭氧层。为了更好地实现最终目标,该议定书承认各国有“共同但存在区别的责任”,为发达国家和发展中国家制定了逐步淘汰消耗臭氧层物质的时间表,并设立了一个多方基金,为发展中国家履行其义务提供财政和技术援助。

  从20世纪90年代到21世纪初,氟氯烃的生产和消费逐步停止。到2009年,《蒙特利尔议定书》中同意使用的化学品有98%已被淘汰。当科学证据表明需要采取进一步行动时,议定书便会进行修订,总共制定了六项修正案。这也导致对引入用于取代氟氯烃的物质——如含氢氟氯烃(HCFCs)和氢氟碳化合物(HFCs)等——的限制日益严格。尽管有利于缓解臭氧层消耗,但这些替代品却对气候有害。例如,最常用的含氢氟氯烃的全球变暖潜力几乎是二氧化碳的2000倍。

  《蒙特利尔议定书》为地球气候带来了积极的效益。2010年,由于《蒙特利尔议定书》的实施,温室气体排放量减少了9.7亿吨到125亿吨二氧化碳当量,大约是1997年通过的旨在减少温室气体排放的国际条约《京都议定书》目标的5到6倍。2016年通过的《基加利修正案》将限制氢氟碳化合物的使用,这将有助于到2100年时避免高达0.5摄氏度的全球变暖幅度。

  可以说,蒙特利尔议定书比迄今为止我们签署的任何其他气候协议都要成功得多。

  自《蒙特利尔议定书》诞生至今,地球上每个国家都签署了该议定书,这是迄今为止唯一得到普遍签署的国际条约。因此,该议定书被广泛认为是国际环境合作的胜利。根据一些模型,《蒙特利尔议定书》及其修正案每年在全世界范围内帮助预防了多达200万例皮肤癌,避免了数百万例白内障。

  如果世界各国没有禁止使用氟氯烃制冷剂,那今天的臭氧层可能就会接近最大规模的耗损,从模型中可以很确定地看到,到2050年,整个地球都将出现臭氧层空洞,地球将变得不适合居住。

  在应对臭氧层空洞问题时,有三个因素促成了各国迅速采取行动:首先,臭氧层空洞具有明显而现实的危险,对人类个体健康构成了威胁;其次,清晰的卫星图像使臭氧层空洞明显可见;第三,关于这个问题有切实可行的解决方案,即消耗臭氧层物质可以较快、较容易地进行替换。

  漫长的恢复

  时至今日,臭氧层空洞依然存在,每年春天都会在南极洲上空形成。夏季,当来自低纬度地区的平流层空气混合进来时,这个空洞闭合,直到第二年春天再次开始循环。不过,有证据表明臭氧层空洞正在消失,像预计的那样逐渐恢复。根据科学评估,臭氧层有望在本世纪中叶左右恢复到1980年以前的水平。由于消耗臭氧的分子寿命较长,因此恢复过程十分缓慢。有些化合物在大气中存留了50到150年才开始降解。

  尽管《蒙特利尔议定书》总体上取得了成功,但也出现了一些挫折,这突出了长期监测环境变量的重要性,无论是氟氯烃、温度还是生物多样性指标。如果我们不监测这些变量,我们就不知道是否遇到了麻烦。如果不知道自己遇到了麻烦,你就不能采取预防措施,这是这个故事的关键部分之一。

  当然,未来并非没有风险。大规模的火山爆发通常会造成短期的臭氧消耗。与此同时,农业化肥应用会排放强效的温室气体一氧化二氮,这同时也是一种强效的臭氧消耗物质,但并没有受到《蒙特利尔议定书》的控制。令人担忧的是,一氧化二氮的排放量正在不断增长。

  一些人类活动也可能影响臭氧层,但我们尚未完全了解其潜在风险,比如火箭发射和所谓的“硫酸盐地球工程”——通过向平流层注入能够反射阳光的气溶胶粒子,使气候变得凉爽,从而避免全球变暖的严重影响。

  许多人倾向于将臭氧层空洞与气候变化进行比较。尽管《蒙特利尔议定书》确实证明了我们可以解决重大的环境问题,但这种比较也就到此为止了。氟氯烃是少数产品中的可替代成分,可以通过技术手段淘汰并替换。相比之下,气候变化涉及的范围就太大了,使得应对措施在操作上相当困难;化石燃料在我们的生活方式中无处不在,几乎不可能被轻易取代。到目前为止,大多数政府和企业都拒绝减少化石燃料的排放。

  臭氧层空洞的产生表明,我们可以多么迅速地改变地球环境,使其变得更加糟糕,人类在气候行动上停滞不前,并且一直在讨论能够做什么,这是很令人难过的,因为已经有了臭氧层空洞的例子可以学习。

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