現代女媧補天

專題報導 09/01/2009


人類科學自七〇年代開始關注臭氧層破洞問題,而最近又發現到,全球暖化與南極臭氧破洞有交互的影響,這顯現出地球這一複雜巨大體系,是牽一髮而全身動,要窺其全貌並非易事。

南半球漫漫長冬結束,太陽又將照耀南極上空,平流層裡的氯和溴化合物,卻開始破壞使地球免受紫外線傷害的臭氧層。未來的數月,這些污染物造成的臭氧層損耗,會在南極大陸上方弄出一個破洞。

自一九七〇年代起,這個現象就年年上演,不過是過了好幾年才被科學家注意到。一九八五年,英國南極調查小組在《自然》雜誌上發表論文,揭示出臭氧層的破洞,舉世震驚。大約同時,科學家也確認,保護地球的臭氧層對大氣中的污染物非常敏感。這一發現使許多國家在一九八七年一致同意,管制生產破壞臭氧層的化合物,可說是面對全球環境問題最有魄力的行動。

多虧有「蒙特婁議定書」,各國對修復地球防護層都付出了一大努力。雖然南極上空的臭氧層破洞,每年還是一樣大,至少大氣層裡的氯化物有開始減少了,其他地區變稀薄的臭氧層也有好轉的跡象。

眾人歡欣之餘卻忘了問,天空的大洞到底什麼時候才會補好。十年前科學家預計,臭氧層到二〇五〇年可以完全復原,但是如今卻不再能肯定預估。其中一項使情況更趨複雜的因素是,蒙特婁議定書簽署以來,溫室氣體已大幅改變了大氣層的特性,有些有助於臭氧層恢復,有些卻會使情況惡化。

科學家現在才剛有足夠的能力做長期模擬,來研究氣候暖化的效果到底為何。研究結果顯示,某些地區的臭氧層會比原先預估的提早數十年恢復舊觀,但南極臭氧層破洞卻比預期的晚數十年才會復原。

複雜交互影響

氣候變遷和臭氧層狀況會交互影響。南極臭氧層破洞使得南極半島加速暖化,冰層融化,也可能間接造成了澳洲更頻繁的乾旱和大火。

美國科羅拉多州國家海洋暨大氣總署的大氣化學家所羅門(Susan Solomon)認為,平流層的臭氧和地表氣候在許多方面都不可分割。「它們之間奧秘的交互影響,我們可能還不知其詳。」

早在一九七四年,加州大學爾灣分校的化學家羅蘭(Sherwood Rowland)和莫里納(Mario Molina)就曾提出,氟氯碳化物(CFCs)在平流層中會分解,釋放出的氯原子可能會破壞臭氧層。他們與德國馬克斯普朗克化學研究所的克魯琛(Paul Crutzen),因臭氧化學的傑出研究共享一九九五年的諾貝爾化學獎。

這些對臭氧層稀薄化甚至破洞的關注,促成一九八七年「蒙特婁破壞臭氧層物質管制議定書」的簽定。議定書在二十年前開始生效,隨後又有修正案明令禁用破壞臭氧最嚴重的化合物,例如用於冰箱與冷氣冷媒和泡沫生成劑的氟氯碳化物,以及用於滅火劑的溴化物。這些作為可說立即見效;平流層中破壞臭氧的化合物濃度在一九九〇年代末濃度最高,之後就開始下降。

蒙特婁條款對改善氣候也有貢獻,因為和二氧化碳比起來,氟氯碳化物類化合物是溫室效應更強的氣體。在減緩暖化的效果上,這個拯救臭氧的條約比起京都議定書要強上五到六倍。

世界所倖免的

讓我們看看要是沒有了臭氧層會發生什麼事。美國馬里蘭的太空總署葛達德太空飛行中心研究員紐曼(Paul Newman)與同事對破壞臭氧層物質未經管制,且每年還增長百分之三進行模擬,得到的結果是二〇六五年,全球三分之二的臭氧層將會消失,到二十一世紀末全球的臭氧層將完全消失。世界上無論是住在紐約、布宜諾斯艾利斯或東京的人,以及住在中緯度地區(緯度三十到六十度之間的溫帶地區)的人都會直接曝曬於強烈紫外線,在五分鐘之內造成嚴重曬傷。DNA突變機率會增加六倍,罹患皮膚癌機率急遽上升(見〈臭氧與癌症〉)。

好在有蒙特婁條款,我們才能活在有防曬層保護的地球上。德國太空中心的大氣與氣候科學家達美利斯(Martin Dameris)說,「我們已經避免了最壞的情況。不過這也是個警告,提醒我們絕不可放鬆標準。」

環保團體特別憂慮農用殺蟲劑裡的溴化甲烷。根據保護臭氧層條款規定,開發國家在二〇〇五年,開發中國家則在二〇一五年要停用此一化合物。但在農業團體遊說之下,此法規暫停執行,至今許多開發國家仍繼續使用。另一項隱憂是許多老舊的冷氣機和滅火系統裡,還有大量氯化物和溴化物,遲早會逸入大氣層。

這些化合物一旦進入大氣層,就會留上數十年。所以就算現在停用氟氯碳化物等臭氧破壞物質,那些化合物還是會繼續破壞臭氧層好多年。目前平流層的臭氧濃度,大約比一九六四至一九八〇年平均值低了百分之四,但是破壞的程度南北半球各緯度差異很大。熱帶地區臭氧破壞較少。中緯度地區大氣層與南北極臭氧層破壞之大氣層多有混合,一九八〇年來在北半球的臭氧濃度已降低百分之三,南半球則降至百分之六。

雖然中緯度地區臭氧層破壞程度沒有南極嚴重,但因此地區人口稠密,因此影響較大。紫外線的增加,可能使全世界每年增加數十萬皮膚癌病例,而最糟的情況還在數十年之後。

但還是有好消息;中緯度地區的臭氧濃度似乎有增長的跡象。高達太空中心的大氣化學家史托拉斯基(Richard Stolarsky)相信,減用氯化物是原因之一。

「要是臭氧層非有一個洞不可,那最好還是在南極,因為要是發生在熱帶地區,對生物會有很大傷害。」

——所羅門

雖然科學家原先預計還要等到二〇五〇年中緯度地區臭氧層才會完全恢復,但電腦模擬顯示這件事說不定會提早二十年發生,尤其是較不受南極臭氧破洞影響的北半球。全球氣候暖化或許對此有正面影響。因為溫室氣體將熱量留在較低的大氣層中,使上方平流層溫度降低,也使破壞臭氧的化學反應變慢。另外,模擬指出暖化效應使得氣流循環加速,熱帶地區富含臭氧的大氣會流向中緯度,也使臭氧濃度提高。

快速反應

以南極臭氧層破洞為例,全球暖化的影響力在兩極並不顯著。平流層的冷卻會促進極地生成平流層雲,進而造成臭氧分解。南極上空平流層相當乾燥,一旦溫度低於攝氏零下七十八度,就會生成極地平流層雲。它提供可讓化學反應發生的大氣面,使得原本由三個氧原子組成的臭氧分子迅速脫去一個。

冰晶粒子對臭氧分解扮演相當重要的角色。在極區以外,平流層中單一氯原子,可以循環分解數百個臭氧分子,直到它和如氧化亞氮氣體分子作用而終止反應。然而極地冰晶粒子表面卻能催化反應加速,分解數以萬計的臭氧分子。南極臭氧洞的中心海拔約十四到二十一公里處,臭氧消失速率可達每日百分之三。十月初在極地平流層雲的媒介下,破壞了幾乎所有同海拔區間內的臭氧。

一九九二年,研究人員預測溫室暖化會加劇臭氧層的破壞,甚至北極上空都可能開一個洞。「不過那時他們忽略了布魯爾-多普森環流(Brewer–Dobson circulation)的影響」普林斯頓地球物理流體力學實驗室的奧斯登(John Austin)解釋,一般布魯爾–多普森環流會帶動熱帶地區空氣上升至平流層,接著朝高緯度地區流動,並在該處沈降。空氣沈降,壓力上升,溫度增高,如果氣候變遷加速環流,那麼極地上方的空氣應該更熱,使得臭氧消失速度減緩才是。

氣候變遷既可能使極地平流層溫度升高也可能下降,科學家並不清楚究竟何種效應會勝出。這方面研究領域遲遲未能進展的原因,在於電腦運算能力不足。以普林斯頓實驗室為例,以一百個處理器模擬一個百年尺度的體系,必須不間斷地連算三個月。「我每天都得盯著它看,以免算到一半卡住,不然三個月就可能會拖成四、五個月。」奧斯登說。

大部分的科學家都不預期,臭氧層的復原會在二十年內發生。相關模擬結果顯示,南極上方平流層中破壞臭氧物質的濃度,十到二十年內仍會處於飽和狀態。許多模型推測在二〇六〇或二〇六五年,臭氧層才可能完全復原,屆時破壞臭氧物質的濃度將會降到一九八〇年代水平。

「臭氧化學與大氣動力學彼此牽連,很難斷定孰輔孰阻」
——達美利斯

最新的研究結果顯示,溴化物的影響增加了問題的複雜性。平流層中溴化物濃度比理論預期的還多。依此趨勢,根據普林斯頓實驗室的預測,在二〇六五年後數十年,臭氧層破洞還會有現在的十分之一大。奧斯登提醒這只是初步結果,「直至本世紀結束,我們都未必能見到臭氧層復原。」

對人類或其他動植物來說,穿過臭氧層破洞的紫外線危害並不顯著。因為雖然臭氧層在初春時節破損最大,但此時日照角度小,因而也限制了入射地表的紫外線。

所羅門說,「要是臭氧層非有一個洞不可,那最好還是在南極,因為要是發生在熱帶地區,對生物會有很大傷害。」

臭氧層破洞除了增加紫外線的入射,在南半球大部分區域,都能察覺其對區域氣候間接改變的影響。由於臭氧能夠吸收紫外線能量,在平流層中一直扮演著巨大熱源的角色。極地平流層若缺少臭氧,溫度將會下降攝氏六度之多。所羅門發,現此冷卻效應加強了流經冰帽的極地西風渦流,助長南極大陸的冰封。

這項發現解開了諸多南極氣候之謎。強大的西風渦流將寒冷的空氣困在南極大陸內部高原,使其與溫室效應隔絕。過去三十年來,南極大部分區域氣溫都呈現下降趨勢。這點經常被反對全球暖化人士拿來做反例,然而所羅門的研究卻顯示,南極溫度下降實由於加溫不足所致,真正原因乃臭氧濃度減少。

瓶中信息

困在南極內陸的冷空氣,並不如外圍空氣那樣容易向外流動。這或許部分解釋了,何以暴露在相對溫暖海洋空氣中的南極半島,成為地球上暖化最顯著的區域之一。過去幾年間,有兩片大型冰架自半島崩落,其他六片則呈現融化消退,同時將巨大的冰山送入南冰洋。

假使本世紀內臭氧洞的規模縮小,西風渦流減弱將使原本侷限在南極大陸內部的冷空氣,更容易接近半島區。目前南極附近羅斯海海面的「海冰」覆蓋面積正逐漸增加。最新研究結果印證了臭氧洞影響大氣循環的模式,正好呼應海冰的擴張和南極氣候的變化。

澳洲莫納什大學動態氣象及海洋研究中心的李斯貝(James Risbey)認為,澳洲南部雨量變少,乾旱頻繁,皆起因於臭氧濃度下降。南極大陸因臭氧量減少而降溫,造成渦流增強,南極氣壓下降,將含雨量豐沛的盛行西風往南拉離澳洲陸地。他推測,南極的臭氧濃度下降,至少讓澳洲乾季降雨量掉了兩成。

達美利斯的模擬研究結果顯示,熱帶海洋表面的溫度上升,增強了布魯爾-多普森循環,使得熱帶地區內的臭氧減少,而中緯度地區臭氧濃度卻異常增高。他說,「雖然增加的臭氧有助保護人類,但因而干擾平流層內化學反應,或者阻礙植物生長則不是我們所樂見。」

長久來說,當含氯和溴的汙染物從天空中除去,氣候變遷將出來接手,成為影響臭氧濃度的主要人造因素。達美利斯認為,「沒什麼人會去想這意味著什麼,但差不多是該好好想想的時候了。」
【知識通訊評論月刊八十三期】2009.09.01

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