全球变暖

撰文 | 夏志坚

责编 | 冯灏 

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地球大气平流层中有层稀薄（平均厚度2~3毫米）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（PFP^LM）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：PFP^LM越大，臭氧层就越容易被破坏。

造成PFP^LM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。”