在天成佛,在地成魔!臭氧汙染控制與臭氧層保護矛盾嗎?

2020-09-17分类:科技


全球大氣臭氧減少、南極春季出現臭氧洞,與全球二氧化碳增加、近百年全球變暖一樣,是人們廣泛關注的熱點問題。臭氧層是地球生命的保護傘,它的變化對地球生態系統和大氣環境產生著重要影響。全球變暖和臭氧層減薄是影響當前人類生存環境的兩個不同的問題。
隨著對大氣認識的深入,人們逐漸意識到保護臭氧層的重要性和迫切性,保護臭氧層也被看作是迄今為止人類最成功的全球性合作。1995年1月23日聯合國大會決定,把簽署《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》的9月16日設定為國際保護臭氧層日,而今年的主題是“臭氧與生命:臭氧層保護35年(Ozone for life:35 years of ozone layer protection)”。
臭氧與臭氧層
臭氧由 3 個氧原子組成、有特殊魚腥臭味,是大氣中自然存在的一種痕量氣體。它主要分佈在平流層,通常最大濃度出現在離地22-27 千米的地方。臭氧是一種化學性質很不穩定且氧化性很強的物質,它在平流層中的生成和分解與太陽輻射密切相關。
臭氧在大氣中含量很少,在標準情況下,如果把大氣中的臭氧收集起來,全球平均累積厚度僅為3毫米左右,只相當於兩個5分硬幣的厚度。臭氧總量通常用多布森單位(DU)來度量,1個多布森單位指的是,標準狀況下臭氧累積厚度為0.01毫米,全球大氣中的臭氧累計厚度就是300 DU。可別小看這區區的3毫米,就是這平均3毫米的臭氧層,大量吸收著來自太陽的紫外輻射。其中對生物特別有害的UV-B輻射被大部分(95%)吸收,在平流層大氣中的臭氧,能阻擋有害紫外線,是好臭氧。臭氧層是地球生命的保護傘,若沒有它,人類賴以生存的地球就會被有致命殺傷力的太陽紫外線傷害,結果將是地球生靈的滅絕。
在接近地面的對流層中,臭氧含量並不多,可危害不容小覷。尤其是在近地面,臭氧的生成與交通尾氣、工業廢氣等排放的氮氧化物和揮發性有機化合物 (臭氧前體物VOC)在太陽紫外線照射下產生的光化學反應有關。因此臭氧反而成為了一種對生態系統有毒有害的汙染物,也是造成光化學煙霧等汙染事件的罪魁禍首。

大氣臭氧垂直分佈 (引自//ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)
也就是說,在高空的平流層中,臭氧是“好”的;而在近地面的對流層中,臭氧是“壞”的。在我國環保部門釋出的空氣質量指數( AQI )中,參與空氣質量評價的六種主要汙染物中就有地面臭氧。目前北京地區的首要大氣汙染物是 PM2.5 及近地面臭氧,其中,北京 77.8% 的汙染日是因為 PM2.5 超標,20.1% 為臭氧超標。特別是在北京夏季,臭氧接替 PM2.5 成為首要空氣汙染物。
春季南極臭氧洞和北極臭氧損耗
自上世紀70年代末以來,全球臭氧總量呈下降趨勢,尤其是在南極地區下降最為明顯。1984和1985年,日本和英國的科學家先後報道,春季南極站監測到的大氣臭氧總量值與10年前相比減少了30-40%,隨後美國科學家用衛星資料也證實了這一結果。
在春季,南極地區臭氧總量急劇減少,會出現低於全球平均值30-40%的閉合低值區(通常這個值設定為220 DU),與周圍地區相比, 就顯得南極洲上空出現一個臭氧低值的“空洞”,這就是南極臭氧洞。

南極臭氧洞(引自//ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole_SH.html)
南極臭氧洞並不是全年都存在的,只在南極春季出現,其強度和範圍時大時小,各年變化不定,“空洞”的最低值也是波動的。
南極臭氧洞的出現與人類活動關係密切。人類活動排放的氟里昂和溴化烴等消耗臭氧層物質,是破壞大氣臭氧層的元兇。這類汙染物質的化學性質十分穩定,排放到大氣中後滯留的時間很長;在大氣垂直環流作用下會從對流層到達平流層,並透過大氣環流的遠距離輸送和極渦的輻合效應將這些大氣汙染物在極地平流層中聚合起來。
人類活動排放到大氣中的氟里昂和溴化烴等含氯和溴的消耗臭氧層物質(ODS),在極地平流層低溫條件下形成冰晶雲(PSCs)或液態硫酸氣溶膠表面,透過光化學反應大量消耗臭氧,而為光化學反應提供活動介面的平流層冰晶雲或液態硫酸氣溶膠,只有在溫度低於-78℃時才出現。極地平流層極渦能為南極臭氧洞的形成提供相對封閉的動力背景,其春季低溫則為平流層冰晶雲的形成創造條件。
在南極,冬季平流層極渦的溫度很低,通常在極夜結束後的春季,低溫尚能維持一段時間,這就是每年春季南極地區都會出現臭氧洞的原因;也正是由於平流層溫度、極渦強度和位置的變化,各年南極臭氧洞強度和範圍有所變化。
值得注意的是,除2019年異常偏小外,2002和1988年也顯著偏小,這都與南極大氣環流和平流層極渦變化所導致的春季平流層異常增溫有關;南極臭氧洞偏大的年份(如2006、1998、2003、2015年),則無一不是春季平流層極渦偏強、溫度偏低。
北極更加接近人類活動的地區,北極大氣中汙染物的濃度也比較高,汙染比南半球更嚴重;海陸分佈等差異,對南北兩極的氣候和大氣環流也產生很大影響。無論冬或春,北極平流層極渦中溫度都比南極高,特別進入春季以後,北極極渦溫度升高。當極夜後太陽光再次照耀北極地區時,平流層極渦中的溫度大都在-78℃以上,很難滿足形成平流層冰晶雲的必要條件,加之在春季,北極地區臭氧總量通常為400-500 DU的高值區,故2019年以前,北極春季沒有出現過臭氧洞。
在1997年、2011年和2020年春季,春季平流層極地渦旋中溫度異常偏低,大氣臭氧的化學虧損嚴重,都出現了閉合的低值區,只是1997年和2011年最低值都在220 DU以上,未達到出現臭氧洞的標準。而2020年北極地區大氣環流異常,春季平流層極渦中溫度持續偏低,平流層冰晶雲面積也創新高,臭氧的化學損耗更大,低值低於220DU,故而北極首次出現了臭氧洞。

2020年3月的北極臭氧(引自//ozonewatch.gsfc.nasa.gov/)
天氣和氣候是兩個不同的概念,正如在全球變暖的大背景下,不能因某一年偏冷,就認為氣候在變冷;同樣,也不能因某一年南極臭氧洞偏小,或出現了北極臭氧洞,就認為臭氧洞已被修復或環境條件變差。
在目前大氣環境被汙染的情況下,南極臭氧洞的變化和北極臭氧洞是否出現等,取決於南北兩極春季平流層極渦及其低溫狀態的變化。2020年春,首個北極臭氧洞出現與春季平流層極渦的持續低溫有關,是由大氣環流等自然因素引起的,並無環境指示意義。
人類只有一個地球,環境被汙染後,其影響往往很難消除。中國除了採取切實措施逐步淘汰消耗臭氧層的物質外,還加強了對全球臭氧變化和南極臭氧洞的監測和研究工作。目前,我國大陸建立了北京(香河)、昆明、青海(瓦里關山)、浙江(臨安)、黑龍江(龍鳳山)、拉薩等6個大氣臭氧監測站;在港臺地區也有3個大氣臭氧監測站;而在南極,中山站的氣象科考人員也正在密切監視著南極臭氧的變化情況。

南極中山站大氣臭氧總量觀測(攝影/陸龍驊)
近年來,國家對包括CFC-11(一氟三氯甲烷,早期廣泛使用的高溫製冷劑,近幾年被科學家監測到)等在內ODS的非法生產和使用採取零容忍態度(關鍵在於這種物質沒有像預期的那樣與其它氟里昂類物質一起減少),因此,蒙特里爾議定書裡保護臭氧層的工作,仍任重道遠。在淘汰消耗臭氧層物質時,我國和世界各國都需要為綠色地球做出更多的努力。
撰文| 陸龍驊  中國氣象科學研究院研究員
文章由騰訊“全民愛科學”團隊推出
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