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平流层变暖使臭氧洞缩小 但温室气体可不是“补天石”

来源:科技日报2019-11-07 09:49

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  据物理学家组织网近日报道,美国国家海洋与大气管理局(NOAA)和美国国家航空航天局(NASA)的科学家称,近日,由于南极上空平流层异常温暖,极大限制了臭氧的损失,使南极上空臭氧洞缩小到自臭氧洞发现以来的最小规模。

  南极臭氧洞是怎么形成的?臭氧洞变小是不是意味着臭氧洞被修复了呢?就此,科技日报记者采访了中国气象科学研究院研究员陆龙骅。

  南极臭氧洞并非一直都有

  臭氧由3个氧原子组成,主要分布在平流层,通常最大浓度出现在离地20—25公里的地方,是一种化学性质很不稳定、氧化性很强的物质,它在平流层中生成和分解与太阳辐射有密切关系。

  陆龙骅说,臭氧在大气中含量很少,在标准情况下,如果把大气中的臭氧收集起来,全球平均累积厚度仅为3毫米左右,即只相当于两个5分硬币的厚度。“可别小看这区区的3毫米,就是这平均3毫米的臭氧层,大量吸收了来自太阳的紫外辐射,对地球生态系统和大气环境有重要影响。可以形象地说,臭氧层是地球生命的保护伞。”

  但自上世纪70年代末以来,全球臭氧总量下降,尤其在南极地区下降最明显。

  据陆龙骅介绍,1984年日本气象厅观测员、札幌气象局忠鉢繁率先发现,日本南极昭和站臭氧总量在春季显著降低。在这之后,1985年,通过对英国Halley湾站自1957—1958年国际地球物理年起的观测数据重新检验分析,英国剑桥大学的法尔曼等人发现,每年9—10月,南极大陆上空数百万平方公里的大气臭氧总量仅为正常值的一半以下。

  继日本和英国科学家之后,1986年美国NASA科学家斯托拉斯基等用气象卫星资料证实了上述结果。在1979—1985年,10月份的南极臭氧最小值较早先同期减少了40%。在春季,南极地区臭氧总量急剧减少,会出现低于全球平均值30%—40%的闭合低值区,与周围地区相比, 就显得南极大陆上空出现了一个臭氧值极低的“空洞”,这就是南极臭氧洞。

  然而,南极臭氧洞并不是全年都存在的,只在南极春季出现。通常南极臭氧在7月下旬开始减少,8月中旬后就出现较为明显的臭氧洞,9月下旬到10月上旬臭氧洞的面积最大,10月底后臭氧急剧增加, 臭氧洞逐渐填塞,12月中旬恢复正常,就不再有臭氧洞了。

  “空洞”为啥偏偏在南极

  为讨论形成南极臭氧洞的原因,各国科学家通过气球、飞机、火箭、卫星及地面站等多种现代化观测方法获取了大量资料,并用计算机进行了分析和模拟研究。曾有两届诺贝尔化学奖得主的工作与研究臭氧洞形成的原因有关。

  如今,有关南极臭氧洞形成的科学机理已经基本厘清。陆龙骅说,形成臭氧洞需要满足两个条件——大气中存在有人类活动排放的氟里昂和溴化烃等消耗臭氧层的物质;春季南极平流层极地涡旋中较长时间的低温。

  为制造冰箱和空调等,人类发明和使用了氟里昂和溴化烃等含氯和溴的化合物。这类污染物质的化学性质十分稳定,泄漏排放到大气中滞留的时间很长,在大气垂直环流作用下会从对流层到达平流层,在强烈的紫外辐射作用下发生分解变得不稳定,释放出氯原子。氯原子与平流层的甲烷或二氧化氮反应生成盐酸和硝酸氯。

  通常情况下,这些物质被称为平流层的“氯储存库”,氯原子在平流层不具备催化循环反应的功能,因此,全球平流层并没有发生大面积的臭氧损耗现象,但在南极冬春季极低平流层环境下发生了意外。

  南极大陆冬季极夜环境异常寒冷,当气温下降到一定的阈值时导致了极地平流层云(PSCs)的出现。在PSCs表面发生了非均相化学反应,氯气不断累积,当春季阳光出现时,氯气光解成游离态的氯原子,参与了损耗臭氧的

  催化循环反应。在数月的催化反应时间里,1个氯原子可“吃掉”10万个臭氧分子。

  为什么平流层的臭氧损耗在南极表现得更为强烈,这得从南极有独特“个性”的大气环流说起。

  受南半球的地理特征和大气驱动力影响,南极上空的大气运动以绕极环流为主。冬季极夜期间,南极上空的绕极环流更加强盛,风速最大区在南极大陆边缘,可持续几个月。南极上空这一绕极环流被称为“极地涡旋”,其高度范围从距地面数公里直到50公里以上。因为南极四周是海,存在数月之久的南极“极地涡旋”像一堵无形的墙,围绕在南极上空,阻止南极内部的空气与外界空气交换,阻碍了极地平流层与中低纬度地区平流层物质和能量的交流,使得南极上空的大气属性明显区别于外部,也使得极地地区的臭氧损耗在封闭的空间里持续。

  北极也有“极地涡旋”,但北极地区的地面四周海陆相交,频繁向上传播的重力波时常冲破“极地涡旋”的封闭状态,使得北极“极地涡旋”的持续时间和强度均普遍低于南极地区,因此,北极地区春季的臭氧损耗通常远低于南极地区。

  面积缩小与平流层异常变暖有关

  那么今年南极的臭氧洞怎么会变得这么小,是不是臭氧洞被修复了呢?

  相关机构表示,虽然世界各国在减少消耗臭氧层的化学物质使用方面取得重大进展,但今年相对较小的臭氧空洞主要与平流层异常变暖有关。

  科研人员在分析今年臭氧洞变化原因时,同样也提到了气象因素:由于今年10月以来,南极上空异常温暖,臭氧空洞缩小至有记录以来的最小规模。这样的情况与2002年、1988年相似。同期平流层垂直剖面上的平均温度表明:温暖的年份与大气臭氧总量偏高、臭氧洞偏小密切相关,而寒冷的年份与臭氧含量低相关。他们分析认为,2019年是40年来出现的第三次由于平流层温度过高导致臭氧消耗减少。

  陆龙骅指出,天气和气候是两个不同的概念,正如在全球变暖的大背景下,不能因某一年偏冷,就认为气候在变冷,同样也不能因某一年臭氧洞偏小,就认为臭氧洞已被修复,南极臭氧洞问题并未得到彻底解决。

  臭氧洞变小,是否意味着较高的温度对臭氧层有利,那么人类继续向大气中排放二氧化碳等温室气体,臭氧洞会不会变得更小呢?

  NASA戈达德太空飞行中心的科学家保罗·纽曼说,并不完全是这样。事实证明,二氧化碳在平流层中的作用与在离地面较近的对流层的作用相反。纽曼解释说,平流层中的二氧化碳会吸热,然后散逸到太空中,它实际上会让平流层变冷。地球变暖不光是温室气体的原因,所以排放温室气体不等于拯救臭氧洞。(本报记者 陈 瑜)

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