地球漏的这个洞，终于要被补上了？时间就在…
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提起“臭氧层空洞”，你是不是会想到南极？
这个在南极上空的大气臭氧层上意外发现的空洞，改变了人们的生活，并帮助确立了一项成功的全球环境政策。
“等等，南极臭氧层空洞难道不是上个世纪的遗留问题了么，我小学就听老师讲过了”“这么久不被提起，是不是已经修复了？”
其实不然，保护臭氧层，依然是进行时。
臭氧层到底在哪里
在地球诞生40亿年后，随着大气中氧含量的增加，臭氧层慢慢建立。这平铺在地表上不过2.5（2.45）mm厚的薄层，——大约是两个半叠起来的硬币，却吸收了到达地球的90%以上的紫外线辐射（波长在180～280nm），同时它将吸收的紫外线转化为热能加热大气，才有了平流层（距离地表约10-50km）的存在。在平流层中，臭氧在阳光的作用下不断重复着生成和破坏的化学反应。
臭氧浓度并不是垂直均匀分布的，它随海拔高度而变化。臭氧浓度最大值（0.0015%）出现在海拔30到35公里之间。其水平分布也不均匀，在世界三极地区，即南极、北极和青藏高原由于气候寒冷，臭氧层更加稀薄。
臭氧浓度垂直分布
图片来源：NASA
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臭氧层对我们有多重要？
臭氧层是地球生物进化的“保护伞”和“护航者”。臭氧层可以吸收大部分紫外线辐射，屏蔽所有能量最大的UVC辐射，大部分UVB辐射，以及约一半的UVA辐射。在臭氧层的庇护下，地球生命的基础物质——脱氧核糖核酸(DNA)与核糖核酸(RNA)逃脱了紫外辐射的“魔爪”，生命得以向浅海和陆地发展。随着生命多样性的增加，才有了人类出现。
而臭氧层的损耗增加了到达地球表面的紫外线，特别是中段紫外线的数量，可能导致皮肤癌和眼睛损伤等一系列健康问题。不仅如此，UVB辐射还影响植物的生理和发育过程，使得浮游植物的产量直接减少，影响海洋生物的繁殖发育，从而对整个海洋食物链产生影响。同时，它影响陆地和水体的生物地球化学循环，我们生产生活中需要的建筑材料也会随着UVB的增加而加速分解。可以说，臭氧层的持续损耗造成的损失是难以估量的。
既然臭氧层遍布全球，人们是怎么发现南极出现一个大窟窿的呢？
南极上空的臭氧层空洞
图片来源：NOAA
谁发现了臭氧层空洞
最初，制冷和空调系统使用的制冷剂是易燃有毒的。20世纪30年代初，小托马斯·米基雷（Thomas Midgely Jr.）带领团队研发出了无毒、且不易燃的制冷剂替代品-氯氟烃（CFCs），便宜好用，深受欢迎。到20世纪70年代初，全球范围内氯氟烃的年产量达到了近100万吨，在化学工业中占了大约5亿美元的份额。
1974年，科学家马里奥·莫利纳（Mario Molina）和舍伍德·罗兰德（F. Sherwood Rowland）发表了一篇论文，指出CFCs虽然对人体无害，但可能破坏地球平流层的臭氧。这一发现遭到了产业界的攻击，研究也受到了科学家的质疑。
1985年，英国南极调查局的三位大气科学家乔·法曼（Joe Farman）、布莱恩·加德纳（Brian Gardiner）和乔纳森·尚克林（Jonathan Shanklin）在《自然》杂志发表论文，首次证实了臭氧洞的存在。
他们发现南极哈雷（Halley）站和法拉第（Faraday）站上空平流层臭氧水平出现了意料之外的大幅下降。他们的数据显示，经过大约20年的稳定后，臭氧水平在20世纪70年代末左右的南方春季月份开始下降。到1984年10月，哈雷站上空平流层的臭氧层只有前几十年的三分之二厚，乔·法曼等人大胆地认为这与人类使用的CFCs有关，这种化合物由于无毒便宜经常用于气雾剂罐和冰箱等冷却设备。这一现象后来被称为南极臭氧空洞。
1979-2012年观测到的臭氧层空洞范围变化
图片来源：NASA
很快的，1986年，美国国家海洋和大气管理局的研究员苏珊·所罗门（Susan Solomon）带领科学家们通过建立大气模型，终于解释了CFCs影响臭氧层的化学机制。
通过10年的不断努力，科学家们最终确定CFCs的氯是造成南极臭氧损失的最主要原因，极地涡旋和极地平流层云冰粒的存在加速了这一过程，并且在北极也发生了同样的化学反应。实际上不止是两极，臭氧趋势委员会于1988年发布的一个报告证实臭氧损耗全球都存在。至此，臭氧层空洞及背后的秘密终于被揭开，这一发现震惊了世界。因“对大气化学的研究工作，特别是臭氧的形成与分解”，莫利纳和罗兰德获得了1995年诺贝尔化学奖。
1995年获得诺贝尔化学奖的三位科学家
图片来源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline
臭氧层空洞，是个洞么？其实不是
臭氧层空洞，听起来就像是臭氧层漏了个洞？这个洞到底有多大呢，我们又是怎么判定的？
臭氧观测的主要方式
图片来源·：NOAA
每天，科学家会通过站点仪器监测臭氧的变化，还会通过气球、飞机和卫星探测不同高度上的臭氧含量。
科学家正准备放探测气球
图片来源：NOAA
臭氧空洞并不是指某个地区上空完全没有臭氧，也并非是一直都存在，而是指在南半球的春天(8月-10月)开始时，发生在南极上空平流层的一个臭氧异常消耗的区域。南极臭氧层空洞最大的时候曾达到2950万平方公里，相当于3个中国的面积。
臭氧层到底有没有“洞“，其实是总臭氧柱说了算。
南极上空的臭氧层空洞
图片来源：NASA
臭氧空洞的面积是根据总臭氧柱图确定的，科学家以220多布森(DU)为单位来判定。
多布森(DU)是测量臭氧总量的单位，以英国物理学家和气象学家戈登·多布森（Gordon Dobson）的名字命名。如果把所有的臭氧放在一个从地球表面一直延伸到太空的空气柱中，把所有的臭氧放在标准温度(0摄氏度)和标准气压(1013.25Pa，或一个大气压，用atm表示)下，它等于在标准大气状态下千分之一厘米臭氧层的厚度。300DU标态下表示单位面积上有3mm厚臭氧，而这正是地球上空臭氧的平均总量值。
之所以选择220DU为判定标准，是因为在1979年以前的南极洲历史观测中，没有发现臭氧总量低于220多布森单位。此外，从对南极洲上空的直接测量结果来看，臭氧水平低于220多DU是氯和溴化合物造成臭氧损失的结果。被220DU线包围的区域计算出来的，就是被公布的臭氧空洞的面积。所以，臭氧层空洞根本不是一个洞，而是臭氧含量的低值区。
臭氧层修复行动
从1986年确定发现CFCs破坏了臭氧层到全球人类自发决定采取行动修复它，可以说是气候行动主义历史上最快速也是最成功的故事之一。
1987年《蒙特利尔议定书》落定
图片来源：https://ozone.unep.org/ozone-timeline
1987年9月16日，美国和其他45个国家签署了《蒙特利尔议定书》，议定书承诺各签署国逐步淘汰损害臭氧层的卤化化合物，包括氯氟烃、氟氯烃和含溴碳氢化合物，以降低大气中的氯和溴水平，并减轻进一步的臭氧消耗。我国于1991年加入议定书。到今天，已有197个国家批准了这项条约。这是联合国历史上第一个被普遍通过的条约，这一天也在全球范围内被标记为国际臭氧层保护日。
随着科学家对臭氧消耗物的深入了解，2016年10月15日，卢旺达基加利通过了《基加利修正案》，将氢氟碳化物（HFCs）这一人工合成的强温室气体纳入《蒙特利尔议定书》管控范围，我国也于2021年成为该修正案第122个缔约方。正是在全世界人们的共同努力下，超过98%的臭氧层消耗物被淘汰。
2016年，苏珊·所罗门和她的同事发表在science上的研究提出，在《蒙特利尔议定书》生效近30年后，南极臭氧空洞终于出现了消失的迹象，南极洲上空的臭氧量已经开始增加。
自2000年以来，9月（臭氧层空洞最明显的月份）检测到了臭氧柱数量的增加，臭氧浓度垂直剖面的变化，以及臭氧空洞面积的减小。通过利用数值模式模拟地球变化，他们直接证实了《蒙特利尔议定书》的作用。观测结果与模式预测相符，超过一半的空洞减少可以归结为大气中氯的减少。
美国国家航空航天局(NASA)联合主席保罗·纽曼(Paul Newman)也表示:“如果不采取这些措施，到2065年，臭氧层的三分之二将被破坏。”NOAA研究指出，如果今天大气中氯氟烃的氯含量和本世纪初一样高，那么在同样的天气条件下，2021年的臭氧空洞可能会扩大约400万平方公里。
这张图描绘了自1979年至今臭氧消耗高峰季节南极臭氧空洞的平均范围，可以发现该范围已经呈现下降趋势。
图片来源：NOAA
一切看起来都在向更好的未来前进。那么，南极臭氧层空洞到底什么时候才能完全修复呢？
联合国一份报告认为，如果一切按计划进行，到21世纪60年代，臭氧层空洞可能会被修复。在其他臭氧消耗不那么严重的地区，恢复正常可能会更快。北极和北半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪30年代达到这个水平，而南半球中纬度地区的臭氧水平可能会在本世纪中叶达到上世纪80年代的水平。
故事仍未结束
需要指出的是，协议要求CFCs在20世纪90年代停止生产，这意味着即使在完全停止生产CFCs很长一段时间后，使用CFCs制冷的旧设备被处理或销毁的过程中，CFCs排放仍将继续向大气中提供极具破坏性、寿命长的气体。由于其寿命为50到100年，所以20世纪70年代和80年代产生的氯分子仍在大气中存在。而到目前为止，我们依然可以在北极、在热带发现臭氧层空洞现象。但是不可否认的是，在大家的共同努力下，故事在慢慢往更积极乐观的方向发展。
从太空中看到的地球大气层
图片来源：NASA
在今天，我们依然提起臭氧层空洞和臭氧层保护，是为了提醒大家，一个新的艰难挑战正摆在我们面前——全球变暖。
虽然臭氧消耗和全球变暖是两个不同的问题，但同一个大气使得他们交织在一起——许多臭氧消耗化合物也是导致全球变暖的温室气体。部分研究认为，温室气体导致的变暖加剧改变了大气中的行星环流，从而导致热带地区臭氧减少，北极和中纬度地区臭氧增加。
但正如卡罗门所说：“臭氧层保护给了我们希望，我们不应该害怕解决面临的大型环境问题。”在30年前，我们就可以团结一心保护臭氧层，那么我们有理由相信，人类有能力，并且有希望，通过全球协作解决人类共同面临的气候环境问题。
我们始终需要科学的指引。因为“科学不会告诉我们该做什么，但会告诉我们这么做或那么做的结果。是否要为气候变化采取行动不是靠科学家来说的，而是一种社会责任，是道德问题。”（马里奥·莫利纳）
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[8] https://news.un.org/en/story/2019/09/1046452
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[10] https://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/cfcs-ozone.html
[11] https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_9504830
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