不断变化的世界：为什么我们仍在监测臭氧空洞

中科院物理所

2024-10-28 11:00发布于北京中科院物理所官方账号

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划重点

01NIWA在奥塔哥劳德的大气研究站通过监测臭氧空洞，研究臭氧层的变化。

02臭氧空洞主要是由氟氯化碳等消耗臭氧层的化学物质引起的。

03除此之外，气候变化气体和人类活动也可能影响臭氧循环。

04尽管氟氯化碳的存在已经很长时间，但科学家认为到2060年代末，臭氧空洞可能会成为过去。

05然而，奥塔哥大学研究人员对卫星测量结果的分析强调了保持警惕的必要性，认为在某些部分，臭氧空洞可能会变得更严重。

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准备臭氧探空仪气球。照片：NIWA / Rebekah Parsons-King / CC BY-NC-ND 4.0


氢气从靠着水泥墙的角落堆放的鲜红色瓶子中流入一个巨大的白色气球。它比氦气更便宜、更轻，因此当气球充满时，它开始漂浮在地面上，并由重物拴住以防止过早逃脱。

处理它的两名科学家穿着橙色套装，戴着口罩和眼镜——处理大量易燃气体时的预防性防护装备。

与中奥塔哥的乡村环境相比，这是一种奇怪的景象。牛在背景中哞哞叫，一对天堂鸭摇摇晃晃地走过，鸟儿在阳光下大声歌唱。

但它是研究臭氧层的完美场所。

将气球送至平流层


释放后，气球将向上漂浮，穿过对流层（最接近地球的大气层的名称）并到达平流层，即距我们上方 15 至 50 公里的层。

在大约 35 公里处，气球上的减压将迫使其膨胀并破裂。一个亮橙色的降落伞引导着包裹落下——尽管只有大约 20% 被回收，因为大多数都落入了海洋。

该包装内含臭氧探空仪 - 一种可以对空气进行采样并检测臭氧存在的仪器。当它在气球下方向上漂移时，它会将数据发送回劳德小村庄外的 NIWA 大气研究站 - 我们开始在那里给气球填充氢气。
这不是测量臭氧的唯一方法。“我们被称为臭氧超级站点，”理查德·奎雷尔博士说。

兰黛是大气成分变化检测 (NDAC) 的一部分。在该网络中，有五种公认的测量臭氧剖面的技术，劳德拥有所有这五种技术。这里收集的数据反馈到该网络，供世界各地的科学家访问和使用。

臭氧评估也通过卫星进行，但原位臭氧测量（例如这里进行的测量）有助于确定这些数据的真实情况。

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理查德·奎雷尔博士在 NIWA 劳德大气研究站。照片：Claire Concannon / RNZ

臭氧有何帮助

平流层是气球的最终目的地，也是臭氧层所在的地方。这不是唯一发现臭氧的地方。它也可以在对流层中发现，特别是在人口稠密的城市附近，它是一种污染物。

但它的大部分位于平流层，通过吸收高能紫外线（UV) 对我们发挥着重要作用。

臭氧是氧气 (O2) 分子中添加了一个额外的氧原子，因此三个氧原子结合在一起 (O3）。当一种紫外线照射到平流层中的氧气时，就会形成臭氧。然后，如果臭氧吸收不同种类的紫外线，它就会分解。这种自然的臭氧-氧气循环可以保护我们免受所有 UV-C 光和大多数 UV-B 光的伤害。

然而，当我们开始在混合物中添加某些化合物时，它破坏了这种周期性平衡。20年代，通用汽车公司的机械工程师托马斯·米奇利（Thomas Midgley Jr）发明了一种新化合物 - 氯氟烃 (CFC），他将其命名为 Freon（氟利昂）。它无毒、不易燃并且看起来很稳定——非常适合用作制冷剂。不同氟氯化碳的生产和使用迅速蔓延——不仅在冰箱中，而且在空调、某些类型的泡沫和气溶胶中。

不幸的是，这些氟氯化碳气体的重量恰好适合漂浮到平流层并停留在平流层中，在那里成为臭氧层的破坏者。

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NIWA 位于中奥塔哥劳德的大气研究站。

臭氧空洞是怎么回事？

正是由于这些持久存在的氟氯化碳，南极洲上空每年都会出现臭氧空洞。这个“洞”实际上并不是完全没有臭氧。这是一个低于特定阈值的臭氧极少的区域。

这种稀疏现象每年大约在同一时间发生。奥拉夫·摩根斯坦博士解释说，它需要三个因素才能启动。

首先，需要极地平流层云——只有在温度非常低（-80°C）时才能获得。你会在强烈的极地涡旋（围绕极地的强风）中感受到寒冷的气温。其次，需要 CFC（或其他消耗臭氧层的化学品）。第三，你需要阳光。这意味着臭氧空洞只有在春季太阳在南极洲升起后才开始形成。

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奥拉夫·摩根斯坦。照片：戴夫·艾伦 / NIWA

就臭氧空洞的大小而言，有两件事需要考虑：它出现的时间有多长，以及它有多大。由于极地涡旋比平常弱，今年的臭氧空洞比往年形成得晚一些。但就尺寸而言，它是“正常”的。

2023年，我们看到了一个大而持久的臭氧空洞。

2020 年，我们也经历了一个大洞，而且不同寻常的是，在北极上方也出现了第二个洞。

臭氧空洞的大小和持续时间之间的年度变化是跟踪总体趋势困难的原因之一。

氟氯化碳或其他消耗臭氧层化学物质的存在也不是影响臭氧的唯一因素。 2019-2020 年澳大利亚丛林大火将颗粒物发射到平流层，似乎产生了消耗效应。我们排放的气候变化气体也会以不同的方式改变氧气-臭氧循环。

我们在太空中增加的活动甚至可能会产生影响，包括火箭发射和卫星重返大气层产生的碎片。

总体而言，臭氧趋势似乎良好。氟氯化碳确实存在很长时间，但有人认为，到 2060 年代末，臭氧空洞可能会成为过去。

然而，奥塔哥大学研究人员对卫星测量结果进行的一些分析强调了保持警惕的必要性。他们的结果表明，在平流层的某些部分，空洞可能会变得更严重——可能是由于气候变化气体造成的。

与此同时，位于劳德的 NIWA 大气研究站，现已进入第 63 个年头，每周的臭氧测量工作仍在继续。

来源：浮空飞行器

编辑：4925

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