曾威脅地球生命的臭氧層空洞是如何修補的

上世紀70年代末，英國南極勘測局（British Antarctic Survey）的氣象學家喬納森・尚克林（Jonathan Shanklin）花了很多時間待在劍橋的一間辦公室裏，研究來自地球最南端大陸的有待處理的數據。

這些數據是多布森分光光度計（Dobson spectrophotometer）（測量大氣臭氧變化的地面儀器）的計算值和書面資料，尚克林的工作是負責監督將這些資料數字化的工作。

隨著時間的流逝，尚克林開始注意到一些事情正在發生——經過近20年相當穩定的測量數據，他注意到臭氧水平在20世紀70年代末開始下降。一開始，尚克林的老闆並不太相信他的分析，這讓他很沮喪。

到1984年，與前幾十年相比，南極洲哈雷灣（Halley Bay）研究站上空的臭氧層厚度減少了三分之一。尚克林和他的同事喬・法曼（Joe Farman）和布萊恩・加迪納（Brian Gardiner）在第二年發表了他們的研究成果，認為這與一種被稱為氯氟烴（CFCs，又稱為氯氟碳化合物）的人造化合物有關，這種化合物用於氣溶膠和冷卻設備。他們的發現，即南極洲上空臭氧層變薄，被稱為臭氧層空洞。

這一發現震驚了全世界。臭氧層破壞將對人類健康和生態系統產生不利影響的預測，引發了公眾的恐懼。這也促成了更多的科學研究，並激勵世界各國政府以前所未有的方式進行合作。

但漸漸的，這個人類曾經面臨的最嚴重環境問題基本上已經不會再引人矚目。

30多年後，臭氧層空洞到底怎樣了?

氣候變化：哪些人為導致的環境禍害已幾乎被消滅

臭氧洞修復之際 新化合物可能對人類和環境更危險

北極有史以來最大臭氧洞得到修復

重要的現象

臭氧主要存在於距地球表面上空10-50公里的大氣平流層中。臭氧層在地球上形成了一個保護層，吸收來自太陽的破壞性紫外線輻射。沒有它，地球上就不可能有生命。

20世紀50年代，英國南極勘測局首次開始測量南極上空的臭氧濃度。但幾十年過去了，問題才變得清晰起來。

1974年，科學家馬里奧・莫利納（Mario Molina）和舍伍德・羅蘭德（F. Sherwood Rowland）發表了一篇論文，從理論上闡述了氯氟烴可能破壞地球平流層的臭氧。在那之前，人們認為氯氟烴是無害的，但莫利納和羅蘭德認為這是錯誤的。發現遭到了產業界的攻擊，他們堅稱氯氟烴產品是安全的。研究也受到了科學家質疑。有科學家認為，臭氧損失是輕微的，在2-4%之間。而且許多人認為這將歷時幾個世紀才有可能發生發生。

氯氟烴的使用一直有增無減，到20世紀70年代，氯氟烴在世界各地普遍存在，被用作冰箱和空調的冷卻劑、氣溶膠噴霧罐和工業清洗劑。

僅僅十年之後，也就是1985年，英國南極勘測局證實了臭氧層上的一個空洞，並認為了這與氯氟烴有關——這證明了莫利納和羅蘭的研究結果是正確的，兩人最終獲得了1995年諾貝爾化學獎。更糟糕的是，臭氧空洞擴大速度比預期的要快得多。「這令人震驚，」英國南極勘測局榮譽退休研究員的尚克林說。

從那時起，科學家們就開始研究這一現象為什麼會發生。

神秘化學反應

1986年，當南極的冬天接近尾聲時，美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration）的研究員蘇珊・所羅門（Susan Solomon）帶領一組科學家來到麥克默多基地（McMurdo Base）尋找答案。當時，科學家們正在討論三種可能，其中之一是所羅門提出的：答案可能在於化學作用，其中包括極地平流層雲中的氯，這種雲出現在高緯度地區，只有在極地冬季的低溫下才會形成。

「這是一個巨大的謎團，」所羅門說，她現在是麻省理工學院（MIT）大氣化學和氣候科學教授。她的研究解釋了南極洲臭氧空洞為什麼會出現。「所有的數據都表明，人類使用氯氟烴導致氯增加以及極地平流層雲，是導致這一問題的導火線。」

衛星監測證實，臭氧損耗擴大到更廣闊的區域，大約770萬平方英里（2000萬平方公里）。

臭氧被破壞對地球造成嚴重威脅-——人類皮膚癌和白內障發病率上升，植物生長、農作物和動物都會受到危害，還會影響魚類、螃蟹、青蛙和浮游植物（海洋食物鏈的基礎）的生殖問題。國際合作防控勢在必行。

臭氧層空洞是這麼嚴重的威脅，為什麼我們不再經常聽到相關消息呢？

新西蘭坎特伯雷大學（University of Canterbury）環境物理學副教授勞拉・雷維爾（Laura Revell）說，「這已經不是過去那種令人擔憂的問題了。」主要是由於各國政府採取了前所未有的合作措施來解決這個問題。

國際相關機構起初認為臭氧損耗很小，而且會持續很長一段時間，因此對保護臭氧層採取了謹慎的態度。1977年，一項全球行動計劃開始實施，要求監測臭氧和太陽輻射，研究臭氧消耗對人類健康、生態系統和氣候的影響，並對控制措施進行成本效益評估。就在英國科學家發現臭氧層空洞的幾個月前，1985年的《維也納公約》（Vienna Convention）就此提出了進一步研究的要求。但它沒有制定具有法律約束力的控制減少氯氟烴，這讓許多人失望。

在發現臭氧洞之後，增加的科學研究投資、經濟資源調配以及協調一致的國際政治行動扭轉了局面。

1987年通過的《蒙特利爾議定書》（Montreal Protocol），通過逐步淘汰消耗臭氧層的化學物質來保護臭氧層。為了鼓勵遵守，該條約承認了「共同但有區別的責任」，為發達國家和發展中國家制定了分期減排的時間表，並設立了一個多邊基金，為發展中國家履行義務提供財政和技術援助。

在20世紀90年代和21世紀初，氯氟烴的生產和消費停止了。到2009年，條約限制的化學品，98%已被逐步淘汰。但當科學證據表明需要採取進一步行動時，條約允許實施六項修正案——例如使用含氫氟氯烴（HCFCs）和氫氟烴（HFCs）這些替代品，雖然這對臭氧層有好處，但卻對氣候有害。例如，最常用的含氫氟氯烴的全球變暖潛力幾乎是二氧化碳的2000倍。

該條約的氣候效益是有副作用的。2010年，《蒙特利爾議定書》的排放量減少了9.7至125億噸二氧化碳當量，大約是1997年減少溫室氣體排放國際條約《京都議定書》（Kyoto Protocol）目標的五到六倍。2016年通過的《基加利修正案》（Kigali Amendment）將限制氫氟烴的使用，這將有助於到2100年避免全球變暖0.5攝氏度。

雷維爾說，「你可能會說《蒙特利爾議定書》比迄今為止我們簽署的任何其他[氣候協議都要成功得多。」

自《蒙特利爾議定書》通過以來，地球上每個國家都簽署了該議定書，這是迄今為止得到最普遍批准的唯一條約。這被廣泛認為是國際環境合作的勝利。根據一些模型，《蒙特利爾議定書》及其修正案每年幫助預防多達200萬例皮膚癌，並避免了全世界數百萬例白內障病例。

如果世界沒有禁止使用氯氟烴，我們現在會發現的臭氧層已經大規模耗損。所羅門說,"到2050年，我們已經很確定，整個地球將出現臭氧空洞，地球將變得不適合居住。"

所羅門認為三個因素有助於迅速解決問題：臭氧層空洞現實的危險讓所有人行動起來，直觀的衛星圖像使問題很容易理解且解決方案切實可行，可以較快較容易地找到臭氧破壞物質的替代品。

漫長的復蘇

今天，臭氧空洞仍然存在，每年春天在南極洲上空形成。夏季，當來自低緯度地區的平流層空氣混合進來時，它再次閉合，直到第二年春天循環再次開始。但是有證據表明它正在或多或少地恢復，所羅門說。根據科學評估，臭氧層有望在本世紀中葉左右恢復到1980年以前的水平。由於臭氧破壞物質的分子壽命較長，因此修復過程緩慢。有些在大氣中存留了50到150年才衰變。

儘管《蒙特利爾議定書》總體上取得了成功，但也有一些挫折。例如，2018年，自2010年起被禁止的一氟三氯甲烷（CFC-11）的濃度下降速度沒有預期的那麼快，這表明某個地方有未申報的排放。美國環境調查署（Environmental Investigation Agency）追蹤到中國的工廠排放了這些氣體，這些工廠正在生產絶緣泡沫。消息公開，中國政府很快就進行處理，科學家們說，我們現在回到了正軌。

尚克林認為，這突出了長期監測環境變量的重要性，無論是氯氟烴、溫度還是生物多樣性指標。「如果我們不做環境監控，我們就不知道是否遇到了麻煩，如果你不知道你遇到了麻煩，你就不能採取預防措施，我認為這是這個故事的關鍵部分。」

未來並非沒有風險。火山爆發通常會造成短期的臭氧損失，而農業化肥應用所排放的強效溫室氣體——一氧化二氮，也是一種強效臭氧消耗物質。然而，它並沒有受到蒙特利爾議定書的控制，雷維爾解釋說，而且排放量正在增長。

也有活動的影響我們還不完全了解，但是可能帶來的風險，如火箭發射。還有使用地球工程的想法——為避免全球變暖，通過向平流層注入氣溶膠，這些氣溶膠粒子會將太陽光反射回去，而給地球降溫。

雷維爾說，「我們必須牢記從臭氧空洞的故事中吸取的教訓，並確保我們不斷地了解平流層中正在發生的事情，這真的很重要。風險是，如果不提前進行這種評估，我們會對臭氧層造成一些無法預見的破壞。」

人們傾向於將臭氧層空洞與氣候變化進行比較，然而，儘管《蒙特利爾議定書》確實證明了我們可以解決重大的環境問題，但這種比較也就到此為止了。氯氟烴恰好可以替代，但製造溫室氣體的化石燃料在我們的生活方式中無處不在，幾乎不可能輕易被取代，到目前為止，大多數政府和企業都拒絶減少化石燃料的排放。

對於尚克林來說，我們在氣候行動上停滯不前，仍在討論我們可能做什麼，這是令人難過的，因為我們有這樣一個明確的例子可以學習。

尚克林說，「臭氧空洞的產生表明，我們可以多麼迅速地改變我們的地球環境，避免使其變得更糟，而政治家們並沒有認真對待這個教訓。公平地說，氣候變暖是一個更大的問題。政客們為此擔負的責任更加重大。」