地球兩極地區(qū)上空的臭氧層空洞是近幾十年來氣候變化新聞的一個普遍特征，那里的平流層臭氧水平明顯枯竭。人為來源的氯氟烴(CFCs)是主要原因，從冰箱、空調(diào)和噴霧罐等家用物品中的冷卻劑中釋放出來。限制它們的使用對臭氧層空洞的恢復至關(guān)重要，因為它們在大氣中的壽命長達幾十年。

解決臭氧消耗問題的政策，如1987年的《蒙特利爾議定書》國際協(xié)定，旨在停止消耗臭氧物質(zhì)的生產(chǎn)和消費，以便到2045年和2066年分別在北極和南極修復這些臭氧空洞。因此，自2000年初以來，北極平流層中消耗臭氧的無機氯和溴的水平已經(jīng)下降，盡管速度相當緩慢。

在這種黯淡的預測中，發(fā)表在《地球物理研究快報》上的研究暗示了一個更光明的未來。美國宇航局戈達德太空飛行中心地球科學家首席科學家保羅·紐曼博士和他的同事們認為，2024年3月是自20世紀70年代以來北極臭氧含量最高的一個月，此前2023年至2024年冬季臭氧含量總體增加。

高于平均水平的臭氧水平持續(xù)到2024年9月。這一點很重要，因為以前，當高氯氟烴水平與大型、寒冷、旋轉(zhuǎn)的低壓氣象系統(tǒng)(稱為極地渦旋)同時出現(xiàn)時，春季與臭氧消耗有關(guān)。

研究小組強調(diào)了這項研究的重要性，作為氯氟化碳含量正在下降的初步證據(jù)，以使臭氧層開始其漫長的恢復。紐曼博士說:“臭氧是地球的天然防曬霜。臭氧增加是一個積極的消息，因為它對環(huán)境有益，而且全球蒙特利爾議定書協(xié)議正在產(chǎn)生積極成果的消息令人鼓舞。”

為了探索這種變化，紐曼博士及其同事研究了自1979年以來的氣象和衛(wèi)星反向散射紫外線數(shù)據(jù)，以觀察總臭氧柱(從地球表面到大氣某一特定柱頂部的臭氧總量)。

2024年3月臭氧平均峰值為477個杜布森單位(DU)，比1979年3月的記錄高6個杜布森單位，比研究期間(1979 - 2023年)的平均值高60個杜布森單位。北極的日記錄水平出現(xiàn)了大約半個月，3月20日的最大值為499 DU。

他們發(fā)現(xiàn)，平流層的最底層(距離地球表面10-20公里)在一個月中有23天經(jīng)歷了創(chuàng)紀錄的高溫，與此同時，由于溫暖的天氣系統(tǒng)從底層對流層向上移動到平流層，臭氧水平升高。

這與1997年、2011年和2020年發(fā)生的已知極端臭氧消耗事件形成對比，這些事件發(fā)生在長時間的極地渦旋期間。

2024年3月這些異常溫度和臭氧水平的成因機制歸因于大氣羅斯比波冬季渦旋熱通量的增強。這些波進入平流層，在極地地區(qū)造成向下運動，導致極地溫度升高。

這些波浪還減緩了北極周圍平流層極地夜間急流(極地渦旋)的速度，導致中緯度地區(qū)的空氣聚集在極地，比正常情況下向該地區(qū)輸送更多的臭氧。

紐曼博士解釋說:“北極臭氧是由氯和溴化合物直接消耗臭氧和臭氧運輸控制的?！?/p>

“在前一種情況下，溫度太高，不適合大量消耗。在后一種情況下，從對流層傳播到平流層的波將臭氧帶入北極，使極地地區(qū)變暖，并減緩極地渦旋。已經(jīng)研究了El Ni?o事件和西伯利亞積雪作為臭氧輸送的控制過程，但似乎沒有重大影響。

“比正常情況下更強的傳輸似乎是由一個隨機的天氣年引起的，羅斯比波在平流層中大量傳播。很可能是消耗氧氣物質(zhì)水平的下降和二氧化碳水平的上升進一步將北極臭氧水平提升到創(chuàng)紀錄的水平。”

鑒于二氧化碳水平預計在未來幾年仍將增加，紐曼博士指出，“極有可能”這些破紀錄的臭氧事件將繼續(xù)發(fā)生。

“氣候變化被認為正在影響平流層極地渦旋的強度和穩(wěn)定性。例如，海冰損失導致的表面溫度和壓力的變化會增加羅斯比波的產(chǎn)生，從而導致較弱且不穩(wěn)定的極地渦旋。

此外，由于《蒙特利爾議定書》的簽署，全球臭氧預計將緩慢增加。這兩個因素的結(jié)合將為更高的極地臭氧值創(chuàng)造有利條件。

雖然北極和南極總體上對羅斯比波的影響反應(yīng)相似，但北極的反應(yīng)要強烈得多，因此臭氧水平高于南半球，南半球經(jīng)歷了更明顯的臭氧空洞。

“北極有一個更強的羅斯比波源，向上傳播到平流層(通過更強的渦流熱通量來量化)。因此，北極更溫暖，渦旋更弱，臭氧更多。因為南極有一個非常冷的漩渦，可以包含活性氯，我們每年都有很深的臭氧空洞，”紐曼博士說。

利用這一見解，化學和氣候耦合模型預測，由于大氣中消耗臭氧物質(zhì)的減少和溫室氣體水平的升高，從2000年到2025年，北極臭氧將增加10-30 DU。

此外，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算正午晴空的紫外線指數(shù)，2024年北極臭氧水平屏蔽了更多的紫外線，導致紫外線指數(shù)比1979年至2023年研究期間的平均值降低了5%。

歸根結(jié)底，臭氧恢復對于保護地球上的生命至關(guān)重要，否則，來自太空的紫外線輻射增加會產(chǎn)生一系列后果，從減少植物生長(影響“地球之肺”和農(nóng)業(yè)糧食供應(yīng))、通過影響生長或初級生產(chǎn)者而破壞海洋食物鏈，到增加人類皮膚癌和免疫缺乏性疾病的發(fā)病率。

現(xiàn)在有希望有一天這些臭氧空洞會愈合。

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