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      修復臭氧層——科技“補天”在行動

      發布時間:2023年09月15日 來源:中國氣象報社

      編者按:9月16日是“世界臭氧日”,今年的主題為“蒙特利爾議定書:修復臭氧層,減緩氣候變化”。通過禁止臭氧消耗物質,蒙特利爾議定書保護了數百萬人免受皮膚癌癥和白內障的傷害,保護了生態系統并減緩了氣候變化。

      最新科學評估表明,南極上空的臭氧層正在恢復。如何科學地認識臭氧層空洞修復?氣象部門在其中發揮了怎樣的作用?為何說,臭氧對我們生活的影響具有兩面性?本期科普看臺為您揭秘。

      專家顧問:

      中國氣象局氣象探測中心大氣成分室副主任?靳軍莉

      中國氣象科學研究院研究員?鄭向東

      臭氧層空洞修復了嗎?

      年初,被忽視已久的臭氧層空洞再次進入公眾視野。只是,不同于以往的“恐怖號角”,這次似乎是個利好消息——1月9日,一個由聯合國支持的專家組在美國氣象學會第103次年會上發布報告稱,自2000年以來,南極上空臭氧層空洞的面積和深度一直在逐步改善。

      臭氧是氧氣的特殊形式(同素異形體),雖然在大氣層中所占的比例很小,但它的存在對于人類的生存至關重要。它的垂直分布和絕大多數氣體或物質不同,90%分布在平流層、10%分布在對流層。所謂臭氧層空洞修復,主要是指平流層中的臭氧層,與近年來逐漸熱門的近地面臭氧污染并非一回事兒。

      1985年5月,英國科學家法爾曼(Farmen)等人根據觀測事實在《自然》雜志上刊文,揭示了南極臭氧洞的存在。多年以來,圍繞臭氧層空洞的各種擔憂、絕望、籌謀乃至陰謀論層出不窮,當然人類社會也付諸了行動。那么,上述利好消息是否意味著我們的勝利或行動已見效了?

      歡欣之前,我們有必要用科學的量尺去衡量每一次來之不易的進展——要搞清楚臭氧層“修復”的含義,涉及位置、空洞深度和面積,以及延續時間4個評價指標。

      一方面,平流層上層和南極臭氧的含量正在恢復中,但平流層下部的臭氧并沒有顯示出恢復的跡象。模型模擬結果預測了兩個半球中緯度平流層下部臭氧層存在小規?;謴?,但是在實際觀測中沒有看到。

      另一方面,臭氧空洞的大小、強度和壽命存在顯著的年際變化,需要長期觀察,而不是一發現臭氧洞減小就可以定義為修復。不過整體來看,目前南極臭氧總柱(TCO)在繼續恢復。預計南極臭氧總柱將在2066年左右恢復到1980年的狀態,北極將在2045年左右恢復到1980年的狀態,而全球(北緯60°到南緯60°)平均水平將在2040年左右恢復到1980年的狀態。

      2018年11月發布的《臭氧損耗科學評估2018》報告稱,直到2100年全球臭氧層也無法完全恢復到未受人類影響的狀態。因此,目前認為臭氧層空洞全面修復還為時尚早。但這并不意味著關于臭氧洞修復的信息是無意義的。至少這則信息帶來了一些新的啟發,對生物圈、科學界和政策制定領域意義很重大。臭氧層空洞持續修復,就可以避免紫外線對生物圈的危害。同時,它驗證了全世界遵守蒙特利爾議定書、共同致力于臭氧層恢復行動的有效性和巨大成就。這是科學正作用于政策制定以及跨國界共同應對氣候變化挑戰的非常典型的榜樣。

      地球本身,巋然自在,或許并不在意臭氧層空洞大還是小。但是對于人類來說,繼續走下去可以帶來更多希望。(趙曉妮)

      氣象部門如何助力臭氧層修復?

      臭氧層修復對于保護人類健康、地球生態環境乃至減緩氣候變化都具有重大意義,它的實現主要得益于國際協定對臭氧損耗物質排放使用的管制。1987年9月16日,國際社會簽署《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》(以下簡稱“蒙特利爾議定書”),在全球范圍內停止生產、銷售和使用破壞臭氧最嚴重的5種氟利昂和3種哈龍類臭氧損耗物質(ODS),并得到聯合國所有197個成員國和地區的支持。隨后,化學家發明了新的替代物質,極大地推動了破壞臭氧層化學品的淘汰。不過新的替代物,如氫氟碳化物(HFCs)會引發很強的溫室效應。因此,聯合國于2016年10月通過了《基加利修正案》,要求減少HFCs 的使用。

      1991年,中國政府正式加入蒙特利爾議定書,同年成立中國國家保護臭氧層領導小組,積極推動我國ODS的替代。作為發展中國家,中國已于2010年前完成第一代ODS的淘汰工作,目前正在逐步淘汰氫氯氟碳化物(HCFC),并于2021年6月17日接受《基加利修正案》。

      臭氧層的恢復涉及大氣中很多復雜的物理、化學和動力學過程,監測、評估ODS在大氣中的濃度和排放變化,對于了解掌握臭氧層修復的實際情況有著直接的作用,也是相關政策制定的科學基礎。我國氣象部門在科技支撐ODS排放監測評估工作方面發揮了重要作用。

      中國氣象局是我國首先建立ODS觀測服務業務體系且對接國際最高標準實驗室的部門。2006年,中國氣象局在北京上甸子國家大氣本底監測站建立了亞洲區域首套ODS在線觀測系統,2010年該觀測系統升級后可同時觀測ODS及其替代物HFCs。在很長一段時間里,這是我國唯一一套ODS和含氟溫室氣體長期在線觀測系統。隨后,中國氣象局又陸續在瓦里關、龍鳳山、臨安、香格里拉、金沙、阿克達拉、新豐等大氣本底站開展不低于每周一次頻率的采樣觀測,采樣樣品在氣象探測中心國家級實驗室進行30余種ODS物質的高精度分析。目前中國氣象局已形成“1+1+8”(1個國家級實驗室、1個在線觀測站和8個離線采樣觀測站)的ODS觀測網絡布局體系。這些在線觀測和離線采樣業務均建立了完整規范的觀測和標校體系,對接全球最先進ODS觀測網AGAGE(改進的全球大氣實驗網)的標準溯源體系和質量控制流程。

      中國氣象局的ODS觀測數據在國際上一直得到高度認可,相關研究成果被世界氣象組織在多期《臭氧損耗科學評估報告》中引用達30余次,有力支撐了中國的蒙特利爾議定書履約和臭氧層修復行動。中國氣象局專家也一直是蒙特利爾議定書履約專家組成員。

      在科技支撐、政策引導和國際社會的共同努力下,臭氧層恢復工作取得巨大成績,90%以上的ODS生產和使用被淘汰,有效扼制了人類活動對臭氧層的破壞。拯救臭氧層的國際行動也被視為全球合作治理環境問題的典范。(王曉凡)

      臭氧層未來如何發展?

      自從國際社會締結《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》(以下簡稱“蒙特利爾議定書”)、共同開展保護臭氧層的全球行動以來,在各締約方和國際社會的共同努力下,人類成功淘汰了超過99%的臭氧損耗物質,實現了巨大的環境和健康效益。

      “經過持續不懈努力,平流層臭氧空洞修復工作取得了一定成效,但要說臭氧洞恢復還為時尚早,這注定是一個緩慢的、長達幾十年甚至上百年的過程?!薄≈袊鴼庀缶謿庀筇綔y中心大氣成分室副主任靳軍莉表示,2022年10月5日,南極臭氧層空洞面積依然有2600萬平方千米,還處于面積龐大的時期。

      為何臭氧層恢復之路如此漫長?靳軍莉表示,影響臭氧層恢復的因素很多。一方面,雖然目前臭氧損耗物質已經明顯減排,但這些物質生命周期很長,可以長久停留在平流層,且它們對臭氧消耗的效率很高;另一方面,隨著航空事業的發展,空間飛行器越來越多,其排放的含氮物質進入平流層,會導致臭氧濃度下降;此外,大規?;鹕奖l也會減緩臭氧層的恢復速度,因為其釋放的硫酸鹽氣溶膠粒子足以到達平流層,對臭氧層造成破壞性影響。此外,太陽活動、低溫(極地平流層云)、大氣動力等多種因素也會產生影響。

      我們必須看到,全球臭氧層的恢復速度并不均衡,兩極地區還需要等待更長時間。例如,極地低溫是破壞臭氧層的因素之一,以南極為例,冬季沒有熱能或熱能很弱,在-80℃的極端低溫下,南極大陸上空會形成極地平流層云,氯原子在云晶體表面發生化學反應,加上可見光和紫外光的推波助瀾,分解出破壞臭氧的游離態氯原子,從而使該區域臭氧遭受大幅破壞。同理,含溴化合物也會在低溫的催化下破壞臭氧層。因此,極區的臭氧層空洞恢復需要更長時間。

      目前模擬結果顯示,北極和南極的臭氧層分別要到2045年和2066年才能恢復到1980年的水平。特別是南極臭氧層發生損耗的時間更早,要恢復到臭氧層空洞出現之前(1960年代)的水平起碼要到2100年之后。靳軍莉說:“對于臭氧層恢復工作,我們已經看到了曙光和希望,但其過程注定是非常漫長的?!?/p>

      臭氧層恢復的未來將何去何從?靳軍莉表示,如果能延續目前比較好的國際合作和禁排臭氧層消耗物質的局面,臭氧層空洞修復會得以不斷推進。但是,阻礙臭氧洞修復的因素也依然存在,比如蒙特利爾議定書的履約挑戰、民用火箭和新超音速商用飛機排放增加、野火或火山爆發、太陽活動增強等等。目前,人類尚未完全掌握臭氧變化的機制。面對這一難題,惟有堅持和強化全人類保護臭氧層的意識和行動,這場保護地球生命體系的斗爭才能贏得最終勝利。(王美麗)

      (責任編輯:張明祿)

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