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每年9月16日是國際臭氧層保護(hù)日。相信各位讀者已經(jīng)獲悉南極“臭氧洞”正逐漸恢復(fù)的喜訊，但事實(shí)上，“臭氧洞”修復(fù)仍面臨著來自氣候變暖的挑戰(zhàn)，而對(duì)流層臭氧污染也有許多難解的科學(xué)問題，且其很可能成為我國在成功控制大氣霧霾污染之后要面對(duì)的首要空氣質(zhì)量問題……

在這個(gè)特別的日子，我們邀請(qǐng)兩位研究臭氧的專家，從回顧中國在世界臭氧觀測史中的足跡開始，與讀者分享臭氧的最新研究成果。

臭氧知識(shí)點(diǎn)

■約有90%的臭氧分布在平流層，即常說的臭氧層，10%的臭氧分布在對(duì)流層。平流層臭氧變化深刻地影響著天氣和氣候。

■平流層臭氧吸收太陽放射出的大量對(duì)人類、動(dòng)物及植物有害的紫外線輻射，為平流層大氣環(huán)流維持和發(fā)展提供能量，同時(shí)使近地邊界層生物體免受太陽紫外線輻射的損害，是地球生命的重要屏障。

■對(duì)流層和近地面的臭氧因?yàn)槠渑c水汽反應(yīng)產(chǎn)生OH自由基（大氣中最重要的氧化劑之一），幾乎影響到對(duì)流層大氣化學(xué)反應(yīng)的所有過程。對(duì)流層臭氧對(duì)人體呼吸和心血管系統(tǒng)、農(nóng)作物及林木生長等都有負(fù)面影響。

■人為活動(dòng)正在改變大氣中的臭氧分布，其中最顯著的是南極“臭氧洞”和北極地區(qū)春季臭氧總量減少。與此同時(shí)，近地面和對(duì)流層臭氧卻呈現(xiàn)總體增加趨勢。

■1987年旨在保護(hù)臭氧層、限制氟化物排放的《蒙特利爾協(xié)議書》簽訂，這在平流層臭氧科學(xué)上具有里程碑意義。

【距地面約50公里——平流層】

南極臭氧空洞正在修復(fù)，地球不用怕了嗎？

南極“臭氧洞”是上世紀(jì)80年代以來地球最大的環(huán)境問題之一。科學(xué)家于上世紀(jì)中期發(fā)現(xiàn)南極大氣臭氧出現(xiàn)季節(jié)性大幅度下降。該空洞通常于每年8月中旬逐漸形成，10月中上旬達(dá)到最大面積，11月底至12月初消失。

2016年，《科學(xué)》期刊發(fā)表的一項(xiàng)研究指出，科學(xué)家首次掌握的明確證據(jù)顯示，南極上空的巨大臭氧層空洞開始逐漸修復(fù)。自2000年9月開始測量以來，該空洞平均每年（9月同期水平）以400萬平方公里的速度縮小，主要原因是足以破壞臭氧層的化學(xué)物質(zhì)長期遞減。盡管后來有研究發(fā)現(xiàn)自2012年以來損耗臭氧的氟氯烴-11（CFC-11或CFCL3）排放量出現(xiàn)意外增長，但《蒙特利爾議定書》仍被認(rèn)為是迄今為止最成功的國際環(huán)境協(xié)定。

既然南極臭氧空洞已經(jīng)在修復(fù)了，地球可以就此不用怕了嗎？

事實(shí)上，平流層臭氧只是呈現(xiàn)初步恢復(fù)態(tài)勢，而且這種態(tài)勢很脆弱，需要人類繼續(xù)嚴(yán)格遵守《蒙特利爾議定書》，持續(xù)降低損耗臭氧物質(zhì)排放，“臭氧洞”才可能按照科學(xué)家的預(yù)測在本世紀(jì)中期完全愈合。

另一方面，臭氧層修復(fù)與全球變暖的綜合作用也可能成為新的挑戰(zhàn)。由于大氣溫室氣體增加，導(dǎo)致越來越多的熱量駐留在低層大氣（對(duì)流層）。對(duì)流層溫度的上升氨氣報(bào)警器，抬升了對(duì)流層層頂，使得貧臭氧氣團(tuán)進(jìn)入平流層，進(jìn)而通過復(fù)雜的大氣物理化學(xué)過程影響臭氧層的長期變化。

此外，盡管“臭氧洞”已經(jīng)開始修復(fù)，但此前平流層臭氧損耗帶來的極地渦旋、南極濤動(dòng)的變化，以及由此引發(fā)的降雨、氣溫和洋流等整個(gè)氣候地理系統(tǒng)的變化voc氣體檢測儀，影響仍在持續(xù)。而它們彼此之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系和影響機(jī)理仍有待科學(xué)家進(jìn)一步探索。

【距地面約10-12公里——對(duì)流層】

全球首份對(duì)流層臭氧評(píng)估報(bào)告，要回答哪些問題？

對(duì)流層臭氧實(shí)際是一種光化學(xué)污染物，主要是由氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物等一次污染物，在高溫強(qiáng)光照的天氣背景下產(chǎn)生的。這種在強(qiáng)烈陽光紫外線照射下，由一次污染物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)所生成的污染物叫二次污染物。

擁有溫室氣體和污染物雙重身份的近地面臭氧，對(duì)人類健康、植被等生態(tài)系統(tǒng)不利。自1990年以來，大氣中造成臭氧污染的主要人為排放“大戶”已經(jīng)從北美和歐洲轉(zhuǎn)移到亞洲。這種迅速變化，加上發(fā)展中國家臭氧監(jiān)測條件有限，使得科學(xué)家無法回答最基本的問題：世界上哪些地區(qū)的人類和植物受臭氧污染最嚴(yán)重？在進(jìn)行強(qiáng)排放控制的國家，臭氧濃度是否繼續(xù)下降？發(fā)展中國家的臭氧增加到什么程度？大氣科學(xué)界如何更好地量化臭氧對(duì)人類健康和植被等生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響所必需的臭氧指標(biāo)？

為了回答這些問題，國際全球大氣化學(xué)項(xiàng)目（IGAC）2014年啟動(dòng)了對(duì)流層臭氧評(píng)估報(bào)告（TOAR）計(jì)劃臭氧，使命是為研究界提供對(duì)流層臭氧從地表到對(duì)流層頂?shù)娜蚍植己挖厔莸淖钚驴茖W(xué)評(píng)估。該計(jì)劃主要目標(biāo)有二，一是根據(jù)所有能獲得的地面臭氧觀測資料，經(jīng)同行評(píng)審文獻(xiàn)和新的分析，制作第一份綜合性的對(duì)流層臭氧評(píng)估報(bào)告；二是針對(duì)全球數(shù)千個(gè)測量地點(diǎn)（城市和非城市）生成易于獲取的有關(guān)臭氧暴露和劑量指標(biāo)的數(shù)據(jù)，供自由獲取，為研究臭氧對(duì)氣候、人類健康和植被等生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的全球影響提供數(shù)據(jù)。

我國四個(gè)城市2008年至2016年臭氧濃度變化趨勢。（來源：論文《2008-2016年臭氧監(jiān)測試點(diǎn)城市的臭氧污染特征》）

TOAR計(jì)劃吸引了全球36個(gè)國家220余名科學(xué)家參與其中，其中包括來自中國氣象科學(xué)研究院徐曉斌研究員等中國科學(xué)家。目前，該計(jì)劃已經(jīng)建立了一個(gè)全球地表臭氧觀測數(shù)據(jù)庫，并生成了一整套臭氧指標(biāo)產(chǎn)品，包括標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，健康和植被影響指標(biāo)以及趨勢信息。第一期對(duì)流層臭氧綜合評(píng)估的主要成果和內(nèi)容已通過系列論文形式在開放獲取期刊Elementa上公開發(fā)表。隨著研究工作的深入，還會(huì)有進(jìn)一步的成果公布，TOAR也會(huì)著手開展新一輪評(píng)估。

【TOAR檔案】

評(píng)估時(shí)間窗口：2000-2014年

觀測站點(diǎn)數(shù)量：近10000個(gè)

整體情況：

■衛(wèi)星、探空和飛機(jī)資料表明上世紀(jì)90年代以來對(duì)流層臭氧持續(xù)增長。歐洲和美國地面臭氧濃度從上世紀(jì)后半葉開始快速增長，但從本世紀(jì)初逐漸開始呈現(xiàn)下降態(tài)勢或保持穩(wěn)定狀態(tài)。

■亞洲對(duì)流層臭氧濃度是全世界增長最快的區(qū)域，與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度呈正相關(guān)。但該地區(qū)能用于長期趨勢評(píng)估的數(shù)據(jù)分布非常不均勻。南亞和西亞幾乎沒有數(shù)據(jù)，東亞以日本和韓國數(shù)據(jù)為主。中國內(nèi)地只有瓦里關(guān)等站的觀測時(shí)間較長。雖然從2013年開始中國建立了大量觀測站點(diǎn)開始觀測地面臭氧，但觀測起步較晚，數(shù)據(jù)未能進(jìn)入此次評(píng)估報(bào)告。

■氮氧化物排放控制難度較大，成本較高。但在我國大力推進(jìn)之下，目前氮氧化物排放量快速增長的勢頭已經(jīng)得到遏制，但仍處在高位，需要進(jìn)一步逐步引入更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)、采取更嚴(yán)格的措施控制發(fā)電廠、工廠鍋爐、機(jī)動(dòng)車等的排放。

■揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）比氮氧化物控制難度更大臭氧臭氧，因其排放源更為分散，包括化工、溶劑使用、家具、皮革生產(chǎn)、裝修等，需要在排污收費(fèi)、先進(jìn)污染物治理設(shè)備研發(fā)和效益發(fā)揮等方面繼續(xù)努力。

■植物排放的揮發(fā)性有機(jī)物不容忽視，其隨季節(jié)、地域的不同排放量會(huì)發(fā)生變化，且植物排放的揮發(fā)性有機(jī)物活性遠(yuǎn)超人為排放的揮發(fā)性有機(jī)物。

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