今年 1 月 9 日，世界氣象組織和聯合國環境署發布新聞稱，如果保持現行舉措，南極臭氧空洞將在 2066 年恢復到 1980 年的水平。屆時，人類將首次通過緊密的國際合作，解決一個攸關文明存續的重大環境問題。

報告指出臭氧層有望在四十年內恢復

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勝利的曙光來之不易，它的背后則是一段充滿偶然的曲折歷史。

南極臭氧空洞

大氣中 90% 的臭氧都集中在 10-50 公里高的平流層，遠高于我們熟知的西風帶高度，這里空氣稀薄，臭氧的總量只相當于常溫常壓下 5 毫米厚的一層氣體。

臭氧分子在大氣中的相對豐度較低

在平流層中通常每十億個空氣分子只有幾千個臭氧分子

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人類對大氣中臭氧含量的定期觀測始于上世紀 20 年代，英國牛津大學的研究員戈登?多布森組織世界各地的科學家在美國、埃及、印度、蘇聯，甚至北極圈內的斯匹次卑爾根群島等地開展定期觀測。但對于那個被幾公里厚的冰蓋覆蓋的極寒之地 —— 南極，彼時卻沒有進行任何測量。

戈登?多布森使用的原始臭氧光譜儀

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二戰后，英國皇家學會的探險隊在南極布倫特冰架上建立了哈雷考察站，開展長期的大氣觀測。當時沒人能想到，這里的每一條臭氧記錄將在三十多年后震驚世界，徹底顛覆人們對人與自然關系的認知。

橫屏 — 自 1979 年以來臭氧空洞的年度最大范圍

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1974 年，美國人馬里奧?莫利納和舍伍德?羅蘭在《自然》雜志上發表文章，提出氯氟烴 氣體(即我們常說的氟利昂)對臭氧層構成威脅。他們認識到，化學性質十分穩定的氯氟烴擴散到臭氧層后，會在紫外輻射下分解出氯原子，而氯原子是臭氧分解的高效催化劑。

氯原子被認為是臭氧破壞的催化劑是因為

每次反應循環完成時 Cl 和 ClO 都會重新形成

從而進一步破壞臭氧

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根據他們的預估，如果氯氟烴按照當時 10% 的年增長率繼續生產，那么大氣中的臭氧將會在 20 年之后減少 5-7%，并且將會在 75 年之后減少 30-50%。

如果氯氟烴沒有被禁止

NASA 對平流層臭氧濃度的預測

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屆時，大量紫外輻射可以直接到達地面，很多人會因此患上皮膚癌或白內障，同時平流層的溫度還會顯著降低，可能會造成破壞性的氣候變化。

光致癌發生的多步驟過程示意圖

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彼時，科學家、工業界和決策者之間產生了巨大的分歧。全美價值 80 億美元的氯氟烴產業或直接或間接地雇傭了超過 140 萬勞動者。行業龍頭們大多拒絕放棄使用氯氟烴，他們不僅游說政府部門延緩或者放棄禁止氯氟烴的計劃，還試圖利用媒體獲得大眾的支持，這讓氯氟烴在十年內仍保持大量生產。

在 20 世紀的后二十年間

大氣中氯氟烴的濃度不降反升

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直到 1985 年，英國南極調查局的大氣科學家在《自然》雜志上發表了讓全世界震驚的發現。他們分析了哈雷站自 1956 年建站以來收集到的大氣臭氧的觀測資料，發現南極哈雷灣上空大氣中春季的臭氧總量在 1977-1984 年間減少了 40% 以上，在此之前的臭氧總量幾乎保持不變。

哈雷考察站數據顯示從 20 世紀 80 年代開始

大氣臭氧含量急劇下降

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這些數字遠遠超過莫利納和羅蘭的預估，相當于實錘了氯氟烴對臭氧層的殺傷力。一石激起千層浪，科學界掀起了大氣臭氧化學和動力學的研究熱潮。理論和觀測同時證明了人類對自然具有超乎想象的破壞力。

氯氟烴之罪禍再難遁形。在全社會的努力下，1987 年，國際社會簽署《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》，加強對消耗臭氧層物質的管控，以應對臭氧層空洞問題。

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這里需要說明的是，所謂消耗臭氧物質，不僅包含氯氟烴這種直接破壞臭氧層的化學物質，也包含鹵代烴、哈龍和甲基溴等化合物。它們在平流層中受到紫外線的照射后，可以分解出氯自由基或溴自由基，進一步與臭氧發生復雜的連鎖反應，從而破壞臭氧層。

平流層中存在的含鹵素氣體可分為

鹵素源氣體和活性鹵素氣體 ▼

臭氧損耗改變地球氣候？

經過科學界多年的研究，臭氧層對地球生態系統的影響已經得到證明，其重要性早已深入人心。平流層臭氧損耗后，動物皮膚和植物表皮會暴露在高強度的紫外輻射下，遺傳物質受到損害，癌變率增加，植物生長節律紊亂，甚至出現畸形發育。

臭氧層破損，百害而無一利

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近些年，隨著人們對氣候變化的認識逐漸深入，臭氧損耗的氣候效應也得到廣泛研究。人們發現平流層正在發生的化學變化，正在通過意想不到的方式改變著地球氣候。

去年我國經歷了 1961 年以來的最熱夏天，人們對于全球變暖的擔憂再一次沖到頂點。但全球變暖只是對氣候變化的一種簡單表述。

熱天更熱，是全球變暖對氣候變化的影響之一

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全球變暖其實是指 “從長期來看，全球地表平均溫度在工業革命以來越來越高”，而溫度的增加在時間上并不是持續的，在空間上也不是均勻的。從時間上看，我們經歷了 1998-2012 年所謂的“全球變暖停滯”，在空間上看，全球很多區域的地表溫度在過去 40 年來沒有顯著變化，甚至還減小了不少。

全球變暖的概念是立足于較長時間尺度上的 ▼

動圖感受一下▼

如果從垂直方向上觀察溫度變化，我們就會發現各層大氣的溫度并不都是增加的。研究表明，全球平流層的中高層正在以每十年大約 0.6℃的速度降溫，而臭氧和消耗臭氧物質是主要的幕后推手之一。

對流層中部至平流層上部 的

全球寬層平均溫度異常的時間序列 ▼

臭氧能把吸收的紫外輻射轉化為分子動能，從而加熱平流層，而且是越高的地方越熱，這與對流層海拔越高就越冷的生活經驗不同。

而當臭氧損耗后，更多的紫外輻射直接穿透了平流層，導致平流層的溫度下降。

1981 至 2020 年 40 年地表溫度趨勢

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大氣的溫度、氣壓、風、濕度等這些特性是耦合在一起的，溫度的變化常常會引起其他特性的變化，進而造成平流層大氣環流的異常。

一般而言，平流層因臭氧吸收了大量的紫外輻射而大幅度升溫。但這一規律卻在一種情況下不成立，那就是南北極的極夜。

南極的極夜和南極光

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極夜期間由于缺乏太陽光照射，平流層不再通過吸收輻射升溫，而是通過發出輻射冷卻，導致溫度急劇下降，從而拉開了與中緯度平流層的溫差。

溫度的改變帶來風場的變化，圍繞著極地形成了強烈的西風，西風又牢牢地禁錮住極地的冷空氣。這就形成了我們常聽到的“極地渦旋”。要注意的是，這里所說的西風在平流層，并非我們一般聽到的對流層西風帶。

去年年底的極地渦旋

帶來的寒潮自西向東橫掃美國

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對流層西風帶和平流層西風

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南極臭氧空洞形成后，在南半球的春季時，南極剛剛從極夜中走出，此時臭氧的輻射效應顯現出來，極地溫度相比沒有臭氧空洞時大幅下降，這就導致因冷而生的極地渦旋增強，環繞南極的西風也更加迅猛。

臭氧空洞的影響并不僅限于平流層，也在很大程度上影響到對流層的天氣變化。

這是因為，平流層的溫度、氣壓和風場的變化會以波的形式向對流層傳輸信號，從而改變對流層內熱量和動量的水平輸送。總之，經過較為復雜的過程，平流層的異常信號可以在大約半個月之后到達對流層，并在之后的一兩個月中持續影響地面天氣。

而臭氧空洞造成的平流層西風增強，可以造成地面氣壓的降低和環繞南極大陸西風的加速。歷史資料統計表明，西風增強的同時往往伴隨著向極地的收縮，從而導致對流層的三圈環流 (哈德來環流、費雷爾環流和極地環流) 也隨之向南極移動。

這一作用顯著體現在南半球的降水變化中。在南半球夏季，原本位于三圈環流下沉支的區域將迎來更多的降雨，而原本濕潤的地區則會容易被干燥的下沉氣流占據。南極臭氧損耗會引發的南半球環流向南移動，是它最重要的氣候效應。

臭氧造成的南半球環流變化 ▼

上圖是氣象觀測的降水變化

下圖是計算機模擬的臭氧的影響 ▼

地球氣候系統十分復雜，往往牽一發而動全身。臭氧的變化還可以影響海水表面溫度和極地海冰，間接造成氣候變化。新的證據表明，臭氧的損耗很有可能與溫室氣體一同導致了 1950 年以來南大洋海水表面溫度的升高。但溫室氣體占據了主導作用。

臭氧對于海溫的影響是通過影響風場來是實現的。南大洋上的西風帶一邊帶動海水自西向東運動，一邊也將表層的海水從極地吹向赤道。東西風向的風可以造成南北方向的海水運動，這種現象被稱為“埃克曼輸送”。

埃克曼輸送示意▼

由于臭氧的損耗加強了西風，南大洋上更多的表層海水離開原地，下層較為溫暖的海水涌上表面，海表面溫度也會上升。海面的增暖可能會造成漂浮在南極周圍的海冰加速融化，南極海冰可能會進一步減少。

極地的海冰可以強烈反射太陽輻射，對地球的能量平衡調節作用顯著。但是南極海冰在過去四十年中呈現出復雜的變化。在 2015 年之前，南極夏季海冰具有擴張趨勢，但是在 2016 年之后迅速縮小。目前的氣候模式難以模擬這樣的變化，因此臭氧對于南極海冰的影響難以得到證明。

在過去十年中，2 月的夏季最低值變化極大

既觸及歷史高點又觸及歷史低點 ▼

2022 年 2 月南極海冰平均濃度

該月海冰達到夏季最小范圍

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而北極的情況又有所不同，北半球大陸面積廣，人口眾多，北極的海冰又與北半球寒潮天氣緊密相關。從長期上看，北極的臭氧損耗還沒有對北極海冰造成長期持續的影響。但是有研究表明，在北極臭氧損耗比較嚴重的年份，北極喀拉海、拉普捷夫海、東西伯利亞海的海冰顯著減少。

不管是南極還是北極

海冰減少都不是件好事

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正在恢復的臭氧層

自從《蒙特利爾議定書》執行以來，全球已經淘汰了 99% 的消耗臭氧物質，臭氧層也有望在本世紀內恢復到 1980 年的狀況。

美國氣象學家安塔拉?班納吉等人的研究指出，正是由于《議定書》的影響，目前南極臭氧空洞引起的大氣環流變化已經停止。

臭氧層的演變路徑 ▼

隨著臭氧層恢復，由臭氧損耗引起的大氣環流變化在未來可能得到補償。但作為南半球極渦變化的另一推手，溫室氣體在本世紀很可能繼續增加。因此科學家預估，南半球極渦變化的恢復可能直到在本世紀末才能實現。

消耗臭氧物質同時也是重要的溫室氣體，例如一氟三氯甲烷引起的大氣增暖效應，是同等質量二氧化碳的 5160 倍。如果人類繼續忠實地履行《蒙特利爾協定》，那么由于消耗臭氧物質的減少，到本世紀中期，全球變暖將減少 0.5~1℃，其意義不亞于通過植樹造林來減緩氣候變化。

消耗臭氧層物質和臭氧時間表 ▼

如今，《蒙特利爾議定書》的氣候效應才剛剛顯現，未來臭氧層的恢復能否完全逆轉臭氧損耗造成的氣候變化，或許只有等到未來才能知道答案。

不能停止對地球環境保護的努力呀

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雖然臭氧問題的前景并非十分明朗，但毋庸置疑的是，人類通過團結協作避免了一場人類文明的重大災難。人類在臭氧治理上已取得階段性重要成，對溫室氣體排放的成功治理還會遠嗎？

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