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北极臭氧层遭破坏,规模前所未有,全球变暖或为真凶

  pixabay.com
  全球变暖
  撰文 | 夏志坚
  责编 | 冯灏
      
  地球大气平流层中有层稀薄的臭氧层,因为可以吸收太阳高能紫外线辐射,保护地球上的生命免遭辐射伤害,而被形象地称为 "地球保护伞"。然而, 一项最新研究发现,全球变暖正在破坏北极上空这柄珍贵的 "保护伞"。
  时间拨回2020年3月,NASA研究人员发现,当月12日北极上方的臭氧水平创下历史新低,只有205多布森单位 (Dobson units,DU) 。而通常在3月,北极上空臭氧的最低水平也在240DU左右 [1] 。
  DU是用于衡量大气中臭氧柱状密度的单位,以英国物理学家和气象学家戈登·多布森 (Gordon Dobson) 的名字命名。1DU指在标准温度与标准压力下,0.01毫米厚纯臭氧层所含的臭氧数量 [2] 。
  2020年3月12日北极平流层臭氧降至205多布森单位 | 图源:NASA
  2020年3月北极上空臭氧水平不同寻常的低,主要由于此前的2019年末到2020年初,高层大气波动异常微弱 [1] 。通常情况下,高层大气波动会扰动北极上空的极地涡旋,为北极补充其他地区平流层的臭氧;同时,大气波动会使极地高层大气变暖,残留在大气中的氯和溴更难被释放。而氯和溴是破坏臭氧层的罪魁祸首。
  当高层大气波动微弱到难以影响北极极地涡旋、无法温暖极寒的北极高空,臭氧层的破坏就发生了。但是,令科学家们不解的是,波动怎么突然就变弱了?当时NASA戈达德太空飞行中心的地球科学首席科学家 Paul Newman 说:"我们不知道是什么原因导致了今年波动的减弱"  [1] 。
  最近的一项研究或许能回应当时的困惑。
  6月23日,发表在《自然·通讯》 (  Nature Communications  ) 上的一篇论文认为,气候变化改变了北极的大气条件,加剧了北极臭氧层的季节性损耗 ,未来,如果温室气体持续高速排放,这种季节性损耗将持续恶化,到本世纪末将造成更加严重的破坏 [3] 。研究团队成员来自德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所亥姆霍兹极地和海洋研究中心、芬兰气象研究所和马里兰大学。
  研究人员搜集了北极过去半个世纪的气象数据,结果发现,极地平流层云的本地最大值 (PFPLM) 在过去五十年里出现了显著上升。由于极地平流层云表面可以吸附含氯物质并活化其中的氯,因此其在臭氧空洞的形成中扮演着重要角色:PFPLM  越大,臭氧层就越容易被破坏。
  造成 PFPLM 不断变大的原因是北极上空存在时间越来越长的极地涡旋。研究人员发现,过去半个世纪,北极极地涡旋每十年就会增加3.5-4.8天,而极地涡旋内的低温是形成极地平流层云不可或缺的条件。
  利用气象模型模拟之后,研究人员发现,造成北极极地涡旋持续时间不断增加的原因在于 大气中愈来愈多的温室气体对于气候系统的改变  :温室气体增加使得辐射驱动力 (radiative forcing) 升高,也即太阳辐射所带来的能量被更多地存留在了地表,北极上空的平流层变得比以前更冷;此外,在气候变化影响下,北太平洋海面温度的改变也减弱了大气波动,从而使得北极涡旋变得越来越强。
  另一个不可忽视的因素是人类活动排放的甲烷  (一种增温效果更显著的温室气体) ,甲烷在平流层氧化后形成的水蒸气使平流层变得比以前更加湿润,这也让氯的活化和极地平流层云的形成变得更加容易。
  模型研究结果显示, 如果维持当前的温室气体排放不变,未来北极上空的臭氧层状况将变得更糟  :到本世纪末,季节性臭氧损失将达到70-100DU。
  为遏制臭氧层损耗,1989年开始生效的《蒙特利尔议定书》 (Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer) 要求缔约国逐步淘汰氯氟烃、哈龙等臭氧层破坏物质的生产,被公推为历来最成功的多边环境协定之一 [4] 。然而,气候变化正在削弱人类过去几十年保护臭氧层的努力,甚至可能重现曾经的危机。
  "我们正处于一场赛跑之中:一边,人类社会正在努力加速恢复臭氧层,大气中的氯氟烃会在50-100年的时间里慢慢消失;而另一边,气候变化使得极地涡旋的温度快速变低,又为氯氟烃破坏臭氧层创造了便利条件,即使这些臭氧层破坏物质的总量在逐步减少",参与这项研究的马里兰大学教授 Ross Salawitch 说, "尽管臭氧层破坏物质的总量在减少,但随着气候的变化,北极臭氧层的损耗却仍在增加。"
  参考资料
  [1]https://climate.nasa.gov/news/2972/nasa-reports-arctic-stratospheric-ozone-depletion-hit-a-record-low-for-march/
  [2] https://goldbook.iupac.org/terms/view/D01827
  [3] https://doi.org/10.1038/s41467-021-24089-6
  [4] https://news.un.org/zh/story/2018/11/1022112
  [5]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/uom-rgg062121.php

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