本文来自微信公众号：地球知识局 （ID：diqiuzhishiju），作者：小凯，校稿：朝乾编辑：果栗乘，头图来自：视觉中国
今年1月9日，世界气象组织和联合国环境署发布新闻称，如果保持现行举措，南极臭氧空洞将在2066年恢复到1980年的水平。届时，人类将首次通过紧密的国际合作，解决一个攸关文明存续的重大环境问题。
报告指出臭氧层有望在四十年内恢复（2022年臭氧消耗科学评估报告 图：unric.org）▼
胜利的曙光来之不易，它的背后则是一段充满偶然的曲折历史。
南极臭氧空洞
大气中90%的臭氧都集中在10~50公里高的平流层，远高于我们熟知的西风带高度，这里空气稀薄，臭氧的总量只相当于常温常压下5毫米厚的一层气体。
臭氧分子在大气中的相对丰度较低，在平流层中通常每十亿个空气分子只有几千个臭氧分子（图：WMO）▼
人类对大气中臭氧含量的定期观测始于上世纪20年代，英国牛津大学的研究员戈登·多布森组织世界各地的科学家在美国、埃及、印度、苏联，甚至北极圈内的斯匹次卑尔根群岛等地开展定期观测。但对于那个被几公里厚的冰盖覆盖的极寒之地——南极，彼时却没有进行任何测量。
戈登·多布森使用的原始臭氧光谱仪（图：Science Museum Group）▼
二战后，英国皇家学会的探险队在南极布伦特冰架上建立了哈雷考察站，开展长期的大气观测。当时没人能想到，这里的每一条臭氧记录将在三十多年后震惊世界，彻底颠覆人们对人与自然关系的认知。
横屏—自1979年以来臭氧空洞的年度最大范围（图：CAMS ）▼
1974年，美国人马里奥·莫利纳和舍伍德·罗兰在《自然》杂志上发表文章，提出氯氟烃 (CFC) 气体（即我们常说的氟利昂）对臭氧层构成威胁。他们认识到，化学性质十分稳定的氯氟烃扩散到臭氧层后，会在紫外辐射下分解出氯原子，而氯原子是臭氧分解的高效催化剂。
氯原子被认为是臭氧破坏的催化剂是因为，每次反应循环完成时Cl和ClO都会重新形成，从而进一步破坏臭氧（图：NASA）▼
根据他们的预估，如果氯氟烃按照当时10%的年增长率继续生产，那么大气中的臭氧将会在20年之后减少5%~7%，并且将会在75年之后（也就是现在的27年之后）减少30%~50%。
如果氯氟烃没有被禁止，NASA 对平流层臭氧浓度的预测（图：NASA）▼
届时，大量紫外辐射可以直接到达地面，很多人会因此患上皮肤癌或白内障，同时平流层的温度还会显著降低，可能会造成破坏性的气候变化。
光致癌发生的多步骤过程示意图（图：Eva Rawlings Parker）▼
彼时，科学家、工业界和决策者之间产生了巨大的分歧。全美价值80亿美元的氯氟烃产业或直接或间接地雇佣了超过140万劳动者。行业龙头们大多拒绝放弃使用氯氟烃，他们不仅游说政府部门延缓或者放弃禁止氯氟烃的计划，还试图利用媒体获得大众的支持，这让氯氟烃在十年内仍保持大量生产。
在20世纪的后二十年间，大气中氯氟烃的浓度不降反升（图：WMO&NOAA）▼
直到1985年，英国南极调查局的大气科学家在《自然》杂志上发表了让全世界震惊的发现。他们分析了哈雷站自1956年建站以来收集到的大气臭氧的观测资料，发现南极哈雷湾上空大气中春季（9、10、11月）的臭氧总量在1977~1984年间减少了40%以上，在此之前的臭氧总量几乎保持不变。
哈雷考察站数据显示从20世纪80年代开始，大气臭氧含量急剧下降（1956-2022年南极测得大气臭氧总量 图：NASA）▼
这些数字远远超过莫利纳和罗兰的预估，相当于实锤了氯氟烃对臭氧层的杀伤力。一石激起千层浪，科学界掀起了大气臭氧化学和动力学的研究热潮。理论和观测同时证明了人类对自然具有超乎想象的破坏力。
氯氟烃之罪祸再难遁形。在全社会的努力下，1987年，国际社会签署《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，加强对消耗臭氧层物质（ODS）的管控，以应对臭氧层空洞问题。
（《蒙特利尔议定书》的缔约方 图：wiki）▼
这里需要说明的是，所谓消耗臭氧物质，不仅包含氯氟烃这种直接破坏臭氧层的化学物质，也包含卤代烃、哈龙和甲基溴等化合物。它们在平流层中受到紫外线的照射后，可以分解出氯自由基或溴自由基，进一步与臭氧发生复杂的连锁反应，从而破坏臭氧层。
平流层中存在的含卤素气体可分为卤素源气体和活性卤素气体▼
臭氧损耗改变地球气候？
经过科学界多年的研究，臭氧层对地球生态系统的影响已经得到证明，其重要性早已深入人心。平流层臭氧损耗后，动物皮肤和植物表皮会暴露在高强度的紫外辐射下，遗传物质受到损害，癌变率增加，植物生长节律紊乱，甚至出现畸形发育。
臭氧层破损，百害而无一利（图：twitter@MBRSpaceCentre）▼
近些年，随着人们对气候变化的认识逐渐深入，臭氧损耗的气候效应也得到广泛研究。人们发现平流层正在发生的化学变化，正在通过意想不到的方式改变着地球气候。
去年我国经历了1961年以来的最热夏天，人们对于全球变暖的担忧再一次冲到顶点。但全球变暖只是对气候变化的一种简单表述。
热天更热，是全球变暖对气候变化的影响之一（图：国家气候中心）▼
全球变暖其实是指 “从长期来看，全球地表平均温度在工业革命以来越来越高”，而温度的增加在时间上并不是持续的，在空间上也不是均匀的。从时间上看，我们经历了1998~2012年所谓的“全球变暖停滞”，在空间上看，全球很多区域的地表温度在过去40年来没有显著变化，甚至还减小了不少。
全球变暖的概念是立足于较长时间尺度上的▼
动图感受一下（图：NASA）▼
如果从垂直方向上观察温度变化，我们就会发现各层大气的温度并不都是增加的。研究表明，全球平流层的中高层正在以每十年大约0.6℃的速度降温，而臭氧和消耗臭氧物质是主要的幕后推手之一。
对流层中部至平流层上部(从下到上)的全球宽层平均温度异常的时间序列▼
臭氧能把吸收的紫外辐射转化为分子动能，从而加热平流层，而且是越高的地方越热，这与对流层海拔越高就越冷的生活经验不同。
而当臭氧损耗后，更多的紫外辐射直接穿透了平流层，导致平流层的温度下降。
1981至2020年40年地表温度趋势（图：IPCC）▼
大气的温度、气压、风、湿度等这些特性是耦合在一起的，温度的变化常常会引起其他特性的变化，进而造成平流层大气环流的异常。
一般而言，平流层因臭氧吸收了大量的紫外辐射而大幅度升温。但这一规律却在一种情况下不成立，那就是南北极的极夜。
南极的极夜和南极光（图：NOAA）▼
极夜期间由于缺乏太阳光照射，平流层不再通过吸收辐射升温，而是通过发出辐射冷却，导致温度急剧下降，从而拉开了与中纬度平流层的温差。
温度的改变带来风场的变化，围绕着极地形成了强烈的西风，西风又牢牢地禁锢住极地的冷空气。这就形成了我们常听到的“极地涡旋”。要注意的是，这里所说的西风在平流层，并非我们一般听到的对流层西风带。
去年年底的极地涡旋带来的寒潮自西向东横扫美国（2022年12月22日 500hPa 图：中央气象台）▼
对流层西风带和平流层西风（纬向平均纬向风-平流层视角 图：ECMWF）▼
南极臭氧空洞形成后，在南半球的春季（9、10、11月）时，南极刚刚从极夜中走出，此时臭氧的辐射效应显现出来，极地温度相比没有臭氧空洞时大幅下降，这就导致因冷而生的极地涡旋增强，环绕南极的西风也更加迅猛。
臭氧空洞的影响并不仅限于平流层，也在很大程度上影响到对流层的天气变化。
这是因为，平流层的温度、气压和风场的变化会以波的形式向对流层传输信号，从而改变对流层内热量和动量的水平输送。总之，经过较为复杂的过程，平流层的异常信号可以在大约半个月之后到达对流层，并在之后的一两个月中持续影响地面天气。
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而臭氧空洞造成的平流层西风增强，可以造成地面气压的降低和环绕南极大陆西风（地面）的加速。历史资料统计表明，西风增强的同时往往伴随着向极地的收缩，从而导致对流层的三圈环流（哈德来环流、费雷尔环流和极地环流）也随之向南极移动。
这一作用显著体现在南半球的降水变化中。在南半球夏季，原本位于三圈环流下沉支的区域将迎来更多的降雨，而原本湿润的地区则会容易被干燥的下沉气流占据。南极臭氧损耗会引发的南半球环流向南移动，是它最重要的气候效应。
臭氧造成的南半球环流变化▼
上图是气象观测的降水变化，下图是计算机模拟的臭氧的影响▼
地球气候系统十分复杂，往往牵一发而动全身。臭氧的变化还可以影响海水表面温度和极地海冰，间接造成气候变化。新的证据表明，臭氧的损耗很有可能与温室气体一同导致了1950年以来南大洋海水表面温度的升高。但温室气体占据了主导作用。
臭氧对于海温的影响是通过影响风场来是实现的。南大洋上的西风带一边带动海水自西向东运动，一边也将表层的海水从极地吹向赤道。东西风向的风可以造成南北方向的海水运动，这种现象被称为“埃克曼输送”。
埃克曼输送示意（图：wiki）▼
由于臭氧的损耗加强了西风，南大洋上更多的表层海水离开原地，下层较为温暖的海水涌上表面，海表面温度也会上升。海面的增暖可能会造成漂浮在南极周围的海冰加速融化，南极海冰可能会进一步减少。
极地的海冰可以强烈反射太阳辐射，对地球的能量平衡调节作用显著。但是南极海冰在过去四十年中呈现出复杂的变化。在2015年之前，南极夏季海冰具有扩张趋势，但是在2016年之后迅速缩小。目前的气候模式难以模拟这样的变化，因此臭氧对于南极海冰的影响难以得到证明。
在过去十年中，2月的夏季最低值变化极大，既触及历史高点又触及历史低点▼
2022年2月南极海冰平均浓度，该月海冰达到夏季最小范围（图：NOAA）▼
正在恢复的臭氧层
自从《蒙特利尔议定书》执行以来，全球已经淘汰了99%的消耗臭氧物质，臭氧层也有望在本世纪内恢复到1980年的状况。
美国气象学家安塔拉·班纳吉等人的研究指出，正是由于《议定书》的影响，目前南极臭氧空洞引起的大气环流变化已经停止。
臭氧层的演变路径▼
随着臭氧层恢复，由臭氧损耗引起的大气环流变化在未来可能得到补偿。但作为南半球极涡变化的另一推手，温室气体在本世纪很可能继续增加。因此科学家预估，南半球极涡变化的恢复可能直到在本世纪末才能实现。
消耗臭氧物质同时也是重要的温室气体，例如一氟三氯甲烷引起的大气增暖效应，是同等质量二氧化碳的5160倍。如果人类继续忠实地履行《蒙特利尔协定》，那么由于消耗臭氧物质的减少，到本世纪中期，全球变暖将减少0.5~1℃，其意义不亚于通过植树造林来减缓气候变化。
消耗臭氧层物质和臭氧时间表▼
如今，《蒙特利尔议定书》的气候效应才刚刚显现，未来臭氧层的恢复能否完全逆转臭氧损耗造成的气候变化，或许只有等到未来才能知道答案。
不能停止对地球环境保护的努力呀（图：PBS.org）▼
虽然臭氧问题的前景并非十分明朗，但毋庸置疑的是，人类通过团结协作避免了一场人类文明的重大灾难。人类在臭氧治理上已取得阶段性重要成，对温室气体排放的成功治理还会远吗？
参考资料：
[1] F. S. Rowland， “Stratospheric ozone depletion，” Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences， vol. 361， no. 1469， pp. 769–790， 2006.
[2] R. S. Stolarski， “History of the study of atmospheric ozone.” https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/People/Stolarski/history.html
[3] 艾宝勤，胡其图 and 郭奕玲， “法布里－珀罗干涉仪的发明，” 物理， no. 09， pp. 573–577， 1994.
[4] “Charles Fabry.” https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Fabry
[5] G. M. B. Dobson， “Forty Years’ Research on Atmospheric Ozone at Oxford: a History，” Appl. Opt.， vol. 7， no. 3， pp. 387–405， Mar. 1968， doi: 10.1364/AO.7.000387.
[6] “International Geophysical Year.” https://en.wikipedia.org/wiki/International_Geophysical_Year
[7] NASA， “What is Ozone?” https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/
[8] J. M. Masters， “The Skeptics vs. the Ozone Hole.” https://www.lpl.arizona.edu/sites/default/files/resources/globalwarming/skeptics-vs-ozone-hole.pdf
[9] J. C. Farman， B. G. Gardiner， and J. D. Shanklin， “Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOx/NOx interaction，” Nature， vol. 315， no. 6016， pp. 207–210， May 1985， doi: 10.1038/315207a0.
[10] “珠峰上放飞的气球，如何研究 ‘双面人’ 臭氧？.”https://mp.weixin.qq.com/s/_PxxlLulu_KGk4_5n1Z31A
[11] World Meteorological Organization， “Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022.”
[12] M. P. Baldwin and T. J. Dunkerton， “Stratospheric Harbingers of Anomalous Weather Regimes，” Science， vol. 294， no. 5542， pp. 581–584， Oct. 2001， doi: 10.1126/science.1063315.
[13] S. M. Kang， L. M. Polvani， J. C. Fyfe， and M. Sigmond， “Impact of Polar Ozone Depletion on Subtropical Precipitation，”Science， vol. 332， no. 6032， pp. 951–954， May 2011， doi: 10.1126/science.1202131.
[14] S. B. Feldstein， “Subtropical Rainfall and the Antarctic Ozone Hole，” Science， vol. 332， no. 6032， pp. 925–926， May 2011， doi: 10.1126/science.1206834.
[15] “Southern Ocean cooling in a warming world.” https://news.mit.edu/2016/southern-ocean-cooling-in-a-warming-world-0624
[16] J. Zhang et al.， “Responses of Arctic sea ice to stratospheric ozone depletion，” Science Bulletin， vol. 67， no. 11， pp. 1182–1190， Jun. 2022， doi: 10.1016/j.scib.2022.03.015.
[17] “Viruses， microscopy and fast radio bursts: 10 remarkable discoveries from 2020.” https://www.nature.com/articles/d41586-020-03514-8
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