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曾威胁地球生命的臭氧层如何修补的?

南极洲多云的天空(Credit: Getty Images)

上世纪70年代末,英国南极勘测局(British Antarctic Survey)的气象学家乔纳森·尚克林(Jonathan Shanklin)花了很多时间待在剑桥的一间办公室里,研究来自地球最南端大陆的有待处理的数据。

这些数据是多布森分光光度计(Dobson spectrophotometer)(测量大气臭氧变化的地面仪器)的计算值和书面资料,尚克林的工作是负责监督将这些资料数字化的工作。

随着时间的流逝,尚克林开始注意到一些事情正在发生——经过近20年相当稳定的测量数据,他注意到臭氧水平在20世纪70年代末开始下降。一开始,尚克林的老板并不太相信他的分析,这让他很沮丧。

到1984年,与前几十年相比,南极洲哈雷湾(Halley Bay)研究站上空的臭氧层厚度减少了三分之一。尚克林和他的同事乔·法曼(Joe Farman)和布莱恩·加迪纳(Brian Gardiner)在第二年发表了他们的研究成果,认为这与一种被称为氯氟烃(CFCs,又称为氯氟碳化合物)的人造化合物有关,这种化合物用于气溶胶和冷却设备。他们的发现,即南极洲上空臭氧层变薄,被称为臭氧层空洞。

这一发现震惊了全世界。臭氧层破坏将对人类健康和生态系统产生不利影响的预测,引发了公众的恐惧。这也促成了更多的科学研究,并激励世界各国政府以前所未有的方式进行合作。

但渐渐的,这个人类曾经面临的最严重环境问题基本上已经不会再引人瞩目。

重要的现象

臭氧主要存在于距地球表面上空10-50公里的大气平流层中。臭氧层在地球上形成了一个保护层,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,英国南极勘测局首次开始测量南极上空的臭氧浓度。但几十年过去了,问题才变得清晰起来。

针对臭氧层空洞,人们要注意紫外线防晒(Credit: PA)

1974年,科学家马里奥·莫利纳(Mario Molina)和舍伍德·罗兰德(F. Sherwood Rowland)发表了一篇论文,从理论上阐述了氯氟烃可能破坏地球平流层的臭氧。在那之前,人们认为氯氟烃是无害的,但莫利纳和罗兰德认为这是错误的。发现遭到了产业界的攻击,他们坚称氯氟烃产品是安全的。研究也受到了科学家质疑。有科学家认为,臭氧损失是轻微的,在2-4%之间。而且许多人认为这将历时几个世纪才有可能发生发生。

氯氟烃的使用一直有增无减,到20世纪70年代,氯氟烃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,英国南极勘测局证实了臭氧层上的一个空洞,并认为了这与氯氟烃有关——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年诺贝尔化学奖。更糟糕的是,臭氧空洞扩大速度比预期的要快得多。“这令人震惊,”英国南极勘测局荣誉退休研究员的尚克林说。

从那时起,科学家们就开始研究这一现象为什么会发生。

神秘化学反应

1986年,当南极的冬天接近尾声时,美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)的研究员苏珊·所罗门(Susan Solomon)带领一组科学家来到麦克默多基地(McMurdo Base)寻找答案。当时,科学家们正在讨论三种可能,其中之一是所罗门提出的:答案可能在于化学作用,其中包括极地平流层云中的氯,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,”所罗门说,她现在是麻省理工学院(MIT)大气化学和气候科学教授。她的研究解释了南极洲臭氧空洞为什么会出现。“所有的数据都表明,人类使用氯氟烃导致氯增加以及极地平流层云,是导致这一问题的导火线。”

卫星监测证实,臭氧损耗扩大到更广阔的区域,大约770万平方英里(2000万平方公里)。

臭氧被破坏对地球造成严重威胁-——人类皮肤癌和白内障发病率上升,植物生长、农作物和动物都会受到危害,还会影响鱼类、螃蟹、青蛙和浮游植物(海洋食物链的基础)的生殖问题。国际合作防控势在必行。

臭氧层空洞是这么严重的威胁,为什么我们不再经常听到相关消息呢?

新西兰坎特伯雷大学(University of Canterbury)环境物理学副教授劳拉·雷维尔(Laura Revell)说,“这已经不是过去那种令人担忧的问题了。”主要是由于各国政府采取了前所未有的合作措施来解决这个问题。

1995年以前生产的冰箱含有氯氟烃制冷剂,这种制冷剂和其他消耗臭氧的物质一起造成了臭氧空洞(Credit: Getty Images)

国际相关机构起初认为臭氧损耗很小,而且会持续很长一段时间,因此对保护臭氧层采取了谨慎的态度。1977年,一项全球行动计划开始实施,要求监测臭氧和太阳辐射,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《维也纳公约》(Vienna Convention)就此提出了进一步研究的要求。但它没有制定具有法律约束力的控制减少氯氟烃,这让许多人失望。

在发现臭氧洞之后,增加的科学研究投资、经济资源调配以及协调一致的国际政治行动扭转了局面。

1987年通过的《蒙特利尔议定书》(Montreal Protocol),通过逐步淘汰消耗臭氧层的化学物质来保护臭氧层。为了鼓励遵守,该条约承认了“共同但有区别的责任”,为发达国家和发展中国家制定了分期减排的时间表,并设立了一个多边基金,为发展中国家履行义务提供财政和技术援助。

在20世纪90年代和21世纪初,氯氟烃的生产和消费停止了。到2009年,条约限制的化学品,98%已被逐步淘汰。但当科学证据表明需要采取进一步行动时,条约允许实施六项修正案——例如使用含氢氟氯烃(HCFCs)和氢氟烃(HFCs)这些替代品,虽然这对臭氧层有好处,但却对气候有害。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。

该条约的气候效益是有副作用的。2010年,《蒙特利尔议定书》的排放量减少了9.7至125亿吨二氧化碳当量,大约是1997年减少温室气体排放国际条约《京都议定书》(Kyoto Protocol)目标的五到六倍。2016年通过的《基加利修正案》(Kigali Amendment)将限制氢氟烃的使用,这将有助于到2100年避免全球变暖0.5摄氏度。

雷维尔说,“你可能会说《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》通过以来,地球上每个国家都签署了该议定书,这是迄今为止得到最普遍批准的唯一条约。这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》及其修正案每年帮助预防多达200万例皮肤癌,并避免了全世界数百万例白内障病例。

臭氧层危机需要人类共同努力(Credit: Getty Images)

如果世界没有禁止使用氯氟烃,我们现在会发现的臭氧层已经大规模耗损。所罗门说,"到2050年,我们已经很确定,整个地球将出现臭氧空洞,地球将变得不适合居住。"

所罗门认为三个因素有助于迅速解决问题:臭氧层空洞现实的危险让所有人行动起来,直观的卫星图像使问题很容易理解且解决方案切实可行,可以较快较容易地找到臭氧破坏物质的替代品。

漫长的复苏

今天,臭氧空洞仍然存在,每年春天在南极洲上空形成。夏季,当来自低纬度地区的平流层空气混合进来时,它再次闭合,直到第二年春天循环再次开始。但是有证据表明它正在或多或少地恢复,所罗门说。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。由于臭氧破坏物质的分子寿命较长,因此修复过程缓慢。有些在大气中存留了50到150年才衰变。

尽管《蒙特利尔议定书》总体上取得了成功,但也有一些挫折。例如,2018年,自2010年起被禁止的一氟三氯甲烷(CFC-11)的浓度下降速度没有预期的那么快,这表明某个地方有未申报的排放。美国环境调查署(Environmental Investigation Agency)追踪到中国的工厂排放了这些气体,这些工厂正在生产绝缘泡沫。消息公开,中国政府很快就进行处理,科学家们说,我们现在回到了正轨。

尚克林认为,这突出了长期监测环境变量的重要性,无论是氯氟烃、温度还是生物多样性指标。“如果我们不做环境监控,我们就不知道是否遇到了麻烦,如果你不知道你遇到了麻烦,你就不能采取预防措施,我认为这是这个故事的关键部分。”

未来并非没有风险。火山爆发通常会造成短期的臭氧损失,而农业化肥应用所排放的强效温室气体——一氧化二氮,也是一种强效臭氧消耗物质。然而,它并没有受到蒙特利尔议定书的控制,雷维尔解释说,而且排放量正在增长。

每年春天,南极上空的臭氧空洞会裂开,到夏天又会闭合。它在20世纪90年代停止增长,此后一直在缩小(Credit: Getty Images)

也有活动的影响我们还不完全了解,但是可能带来的风险,如火箭发射。还有使用地球工程的想法——为避免全球变暖,通过向平流层注入气溶胶,这些气溶胶粒子会将太阳光反射回去,而给地球降温。

雷维尔说,“我们必须牢记从臭氧空洞的故事中吸取的教训,并确保我们不断地了解平流层中正在发生的事情,这真的很重要。风险是,如果不提前进行这种评估,我们会对臭氧层造成一些无法预见的破坏。”

人们倾向于将臭氧层空洞与气候变化进行比较,然而,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。氯氟烃恰好可以替代,但制造温室气体的化石燃料在我们的生活方式中无处不在,几乎不可能轻易被取代,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。

对于尚克林来说,我们在气候行动上停滞不前,仍在讨论我们可能做什么,这是令人难过的,因为我们有这样一个明确的例子可以学习。

尚克林说,“臭氧空洞的产生表明,我们可以多么迅速地改变我们的地球环境,避免使其变得更糟,而政治家们并没有认真对待这个教训。公平地说,气候变暖是一个更大的问题。政客们为此担负的责任更加重大。”

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