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地球奥秘：臭氧层空洞是如何修补的

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。

30多年后，臭氧层空洞到底怎样了?

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。

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。”