Q14 影响臭氧层恢复的因素
注：本文转载自“含氟气体与环境问题”公众号
经过加强和修改调整的《蒙特利尔议定书》已经成功地控制了破坏臭氧层的ods的生产和消费（参见q15）。因此，大气ods浓度已经达到峰值并且开始下降（参见q7和q16）。截至2012年，等价有效平流层氯原子（eesc，平流层中氯原子和溴原子总量）与15年前在中纬度地区的峰值相比已经下降15%。目前的问题是，上述的观测结果是否带来了臭氧总量的增加呢？
识别臭氧量的增加并非易事，这是由于ods水平并非决定臭氧浓度水平的因素。例如，在eesc峰值之前的五年，臭氧量的最小值就已经被观测到。这种时间上的差异是由于臭氧量水平受到了1991年皮纳图博火山爆发产生的平流层气溶胶的影响。这种影响在随后的几年里导致了臭氧损耗的增加。在20世纪90年代观测到的臭氧总量增加是平流层气溶胶逐步去除的结果，而并非由于ods的减少（参见q14）。另一个影响不同地区臭氧总量增加识别的因素是平流层大气循环的年际变化。这些变化对不同地区大气臭氧总量增加带来的影响大于eesc的减少。最后，温室气体（如二氧化碳，co2）量增加使得平流层大气温度降低（这减缓了臭氧损耗率）、平流层循环增强（这增强了臭氧自热带地区向高纬度地区的传输），进而影响了臭氧层。因此很难把观测到的臭氧量变化归因于上述的不同因素。
目前的观测数据显示平流层高层（42千米）臭氧量在2000-2013年增加了5%。区分各种因素影响的模型模拟表明臭氧量增加有一半的原因是由于二氧化碳的增加使得这一区域的温度降低，另一半原因是由于eesc的减少。并且，臭氧总量减少主要发生在20世纪80年代和90年代初期（自南纬60°至北纬60°平均减少约2.5%）。自2000年以来，这种现象并没有明显的变化，直到最近几年有迹象表明臭氧总量有少量的增加。模型表明这种少量的增加与eesc的减少有关。这些基于模型和观测数据的发现表明臭氧层恢复已有初步迹象。
由于其长寿命性，最主要的ods（cfc-11和cfc-12）对平流层臭氧的影响将持续在排放停止后持续数十年。按照仍然遵循《蒙特利尔议定书》的假定，eesc在接下来的数十年里仍将继续减少，并在本世纪中叶左右恢复至20世纪80年代之前的水平。除去热带地区（参见q20），气候变化加加速臭氧层恢复至20世纪80年代之前的水平。然而，只要ods浓度在大气中维持在比较高的水平，由火山爆发或冷冬导致的臭氧损耗的事件在21世纪下半叶发生的可能性就仍然存在。
太阳辐射变化与来自火山喷发的平流层颗粒物增加二者都可以影响平流层臭氧的丰度。总臭氧在20世纪90年代早期相对于1980年之前下降了大约5%，现在大约低于1980年之前的3%（见q13）。臭氧损耗主要归因于活性卤素气体的增加，以及在20世纪90年代早期的外加损耗与皮纳图博火山的喷发有关。活性卤素气体以等效平流层氯（eesc）的变化表示，该值可以说明平流层氯和溴的丰度以及它们破坏臭氧层的有效性差异（见q16中的定义）。臭氧和eesc的平稳年际变化的对比显示二者的数量呈现反向相关，即臭氧的减少伴随着eesc的增加（如图q14-1所示）。在20世纪90年代中期之后，二者每年的变化量保持不变并在之后缓慢颠倒标志。太阳辐射与火山活动不表现出如此平稳、长期的变化，正如下面所述，并且因此不能成为长期臭氧损耗的原因。
总臭氧与太阳变化 平流层臭氧的形成由来自于太阳的紫外辐射（uv）启动（如图q2-1所示），结果就是太阳辐射增加将使得地球大气中的臭氧数量增加。太阳辐射输出与黑子数量在证据充分的11年太阳活动周期中多样变化。自20世纪60年代之后的若干太阳活动周期的观测显示总臭氧水平在典型周期中的和最小值范围内变化1%-2%。入射波长为10.7cm的太阳辐射的变化经常被作为一种替代研究太阳紫外辐射输出的变化，在该波长下的太阳辐射的长期变化如图q14-1所示，其中清楚显示了总太阳辐射输出的值和最小值的交替时间段约为5-6年。如果太阳辐射输出的变化为臭氧损耗的原因，在1980或之前就可以观测到一种不断下降的太阳辐射，并在20世纪90年代中期急剧下降。由于这种下降趋势未被观测到或在长期太阳辐射观测中被发现，因此长期的臭氧下降不能仅仅归因于太阳辐射。绝大多数分析定量解释了11年的太阳周期对长期臭氧变化的影响，在本报告以及之前的国际科学评估报告中均已经存在。
总臭氧和过去的火山爆发 爆发性火山喷发直接向平流层输入含硫气体，造成新的硫酸盐形成。这些颗粒物最初形成于火山下风向的平流层中，之后随空气通过平流层风运移传播到整个半球或范围内。一种监测火山颗粒物存在于平流层中的方法为对整个大气的太阳辐射传输进行观测（如图q14-1所示）。当大量的新的颗粒物形成于广阔区域的平流层中时，太阳辐射传输被大量削减。阿贡火山（1963）、el chichón（1982）以及皮纳图博火山为最近的含硫气体引起临时性太阳辐射削减的例子。
实验室测量与平流层观测已经证实了火山产生的颗粒物在表面的反应可以通过增加高反应活性含氯气体、一氧化氯（clo）的数量而增加臭氧损耗。臭氧的响应依赖于火山喷发之后的总eesc的丰度（见q16）。在具有相对低eesc的时期中，如20世纪60年代早期，臭氧对输入平流层的火山硫酸盐颗粒物不是非常敏感。在高eesc数量的时期中，如自1980到现在，臭氧预计在大型爆发性火山喷发之后显著减少。最近的大型火山喷发为皮纳图博火山，其导致约10倍可以发生表面反应的颗粒物数量的增加。el chichón（1982）以及皮纳图博火山使得在几年中臭氧损耗增加（见图q14-1）。在1963年阿拉贡火山喷发之后的eesc很低而不能发生臭氧损耗。火山喷发对臭氧的效应在喷发后的几年中随着火山颗粒物通过重力沉降和大规模大气传输被逐步从平流层中消除而减小。随着颗粒物被消除，太阳传输被修复。基于平流层火山颗粒物的低停留时间，在过去三十年中的两个大型火山不可能直接解释同时期内观测到的连续的长期总臭氧下降。
来自于火山的活性氯 爆发性火山烟流一般含有大量的活性氯（以hcl的形式），hcl为一种活性卤素气体并可以被转化为clo，后者可以快速破坏臭氧层（如图q8-3所示）。该烟流也包含了大量的水蒸气，其可以在新形成的上升烟流中形成雨水和冰。在底层大气中（对流层）雨水和冰可以有效清除hcl。结果绝大多数在火山烟流中的hcl不能进入平流层。在最近的爆发性火山喷发之后，在平流层中的hcl的观测已经证实了与来自于其他来源的平流层氯的总量相比其增加量很小。
南极火山 在南极大陆上的火山由于其接近于南极臭氧空洞而被引起极大兴趣。一般而言，在南极的一座爆发性火山可以将火山气溶胶和少数hcl直接输入到平流层，这将引起臭氧空洞。爆发性南极火山喷发已经至少每隔几年发生一次以维持平流层中的火山排放，但是可能成为自20世纪80年代早期开始的每年复发的臭氧空洞的一个原因。但事实并非如此，仅仅厄瑞玻斯火山喷发在南极处于活跃状态，自1980年之后没有像厄瑞玻斯或任何其他南极火山喷发。因此，爆发性火山喷发在过去的三十年中已经造成了南极臭氧空洞，并且如上所述，已经不能充分地引发总臭氧的长期损耗。
总臭氧和未来的火山爆发 大气观测和大气模型表明在1992-1993年记录的低臭氧水平归因于于皮纳图博火山喷发所产生的大量颗粒物及其伴随着在20世纪90年代早期的平流层中出现的相对大量的eesc。如果皮纳图博火山喷发发生在1980年之前，臭氧的变化将更加低于1992-1993年所观测的结果，因为eesc数值将更加低。在21世纪的年中，即使ods在范围内下降，eesc数值将保持相当大，直到2050年才可以达到1980年的水平（如图q16-1和q20-2所示）。在此期间如果发生爆发性火山喷发将引发更多的臭氧损耗，如果发生一个超过皮纳图博火山的火山喷发，臭氧损耗峰值将远远大于之前观测得到的结果，并且大量的臭氧损耗可能维持更久的时间段。随着卤素气体丰度不断下降，火山喷发对臭氧的效应将减弱。
图q 14‑1太阳辐射变化和火山喷发
在20世纪80年代初，臭氧量已经开始下降。图q14-1中显示了臭氧值，其中3个月均值没有进行太阳活动或火山喷发影响的修正，年均值进行了季节性和太阳活动影响的修正。长期的臭氧损耗主要是由于平流层等效氯当量（eesc），该时期的eesc一直在增加。自从20世纪90年代中期，臭氧量和eesc变化有所缓和并且出现反转迹象。入射太阳辐射会发生周期性变化，这种为期11年的周期性与太阳黑子活动有关。波长为10.7cm的入射太阳辐射量通常用来指代在紫外波长范围内的能够产生臭氧的入射太阳辐射量。10.7cm波长的辐射量明确地表明了最近时期太阳辐射的值和最小值。太阳辐射与臭氧变化之间的比较强力地表明了单独的太阳辐射输出的周期性变化不能解释臭氧总量的长期损耗。大型的火山喷发后，在平流层形成的大量新的含硫颗粒能够减少太阳辐射对地表的传输量。在夏威夷的观测发现：20世纪60年代至21世纪10年代期间的三次大型火山喷发临时降低了太阳辐射的传输量。火山颗粒加速了臭氧损耗，只要短短几年就能使臭氧通过自然过程从平流层被去除。因此，最近两次火山喷发不可能是臭氧总量长期持续损耗的原因。
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Q14 影响臭氧层恢复的因素
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经过加强和修改调整的《蒙特利尔议定书》已经成功地控制了破坏臭氧层的ods的生产和消费（参见q15）。因此，大气ods浓度已经达到峰值并且开始下降（参见q7和q16）。截至2012年，等价有效平流层氯原子（eesc，平流层中氯原子和溴原子总量）与15年前在中纬度地区的峰值相比已经下降15%。目前的问题是，上述的观测结果是否带来了臭氧总量的增加呢？
识别臭氧量的增加并非易事，这是由于ods水平并非决定臭氧浓度水平的因素。例如，在eesc峰值之前的五年，臭氧量的最小值就已经被观测到。这种时间上的差异是由于臭氧量水平受到了1991年皮纳图博火山爆发产生的平流层气溶胶的影响。这种影响在随后的几年里导致了臭氧损耗的增加。在20世纪90年代观测到的臭氧总量增加是平流层气溶胶逐步去除的结果，而并非由于ods的减少（参见q14）。另一个影响不同地区臭氧总量增加识别的因素是平流层大气循环的年际变化。这些变化对不同地区大气臭氧总量增加带来的影响大于eesc的减少。最后，温室气体（如二氧化碳，co2）量增加使得平流层大气温度降低（这减缓了臭氧损耗率）、平流层循环增强（这增强了臭氧自热带地区向高纬度地区的传输），进而影响了臭氧层。因此很难把观测到的臭氧量变化归因于上述的不同因素。
目前的观测数据显示平流层高层（42千米）臭氧量在2000-2013年增加了5%。区分各种因素影响的模型模拟表明臭氧量增加有一半的原因是由于二氧化碳的增加使得这一区域的温度降低，另一半原因是由于eesc的减少。并且，臭氧总量减少主要发生在20世纪80年代和90年代初期（自南纬60°至北纬60°平均减少约2.5%）。自2000年以来，这种现象并没有明显的变化，直到最近几年有迹象表明臭氧总量有少量的增加。模型表明这种少量的增加与eesc的减少有关。这些基于模型和观测数据的发现表明臭氧层恢复已有初步迹象。
由于其长寿命性，最主要的ods（cfc-11和cfc-12）对平流层臭氧的影响将持续在排放停止后持续数十年。按照仍然遵循《蒙特利尔议定书》的假定，eesc在接下来的数十年里仍将继续减少，并在本世纪中叶左右恢复至20世纪80年代之前的水平。除去热带地区（参见q20），气候变化加加速臭氧层恢复至20世纪80年代之前的水平。然而，只要ods浓度在大气中维持在比较高的水平，由火山爆发或冷冬导致的臭氧损耗的事件在21世纪下半叶发生的可能性就仍然存在。
太阳辐射变化与来自火山喷发的平流层颗粒物增加二者都可以影响平流层臭氧的丰度。总臭氧在20世纪90年代早期相对于1980年之前下降了大约5%，现在大约低于1980年之前的3%（见q13）。臭氧损耗主要归因于活性卤素气体的增加，以及在20世纪90年代早期的外加损耗与皮纳图博火山的喷发有关。活性卤素气体以等效平流层氯（eesc）的变化表示，该值可以说明平流层氯和溴的丰度以及它们破坏臭氧层的有效性差异（见q16中的定义）。臭氧和eesc的平稳年际变化的对比显示二者的数量呈现反向相关，即臭氧的减少伴随着eesc的增加（如图q14-1所示）。在20世纪90年代中期之后，二者每年的变化量保持不变并在之后缓慢颠倒标志。太阳辐射与火山活动不表现出如此平稳、长期的变化，正如下面所述，并且因此不能成为长期臭氧损耗的原因。
总臭氧与太阳变化 平流层臭氧的形成由来自于太阳的紫外辐射（uv）启动（如图q2-1所示），结果就是太阳辐射增加将使得地球大气中的臭氧数量增加。太阳辐射输出与黑子数量在证据充分的11年太阳活动周期中多样变化。自20世纪60年代之后的若干太阳活动周期的观测显示总臭氧水平在典型周期中的和最小值范围内变化1%-2%。入射波长为10.7cm的太阳辐射的变化经常被作为一种替代研究太阳紫外辐射输出的变化，在该波长下的太阳辐射的长期变化如图q14-1所示，其中清楚显示了总太阳辐射输出的值和最小值的交替时间段约为5-6年。如果太阳辐射输出的变化为臭氧损耗的原因，在1980或之前就可以观测到一种不断下降的太阳辐射，并在20世纪90年代中期急剧下降。由于这种下降趋势未被观测到或在长期太阳辐射观测中被发现，因此长期的臭氧下降不能仅仅归因于太阳辐射。绝大多数分析定量解释了11年的太阳周期对长期臭氧变化的影响，在本报告以及之前的国际科学评估报告中均已经存在。
总臭氧和过去的火山爆发 爆发性火山喷发直接向平流层输入含硫气体，造成新的硫酸盐形成。这些颗粒物最初形成于火山下风向的平流层中，之后随空气通过平流层风运移传播到整个半球或范围内。一种监测火山颗粒物存在于平流层中的方法为对整个大气的太阳辐射传输进行观测（如图q14-1所示）。当大量的新的颗粒物形成于广阔区域的平流层中时，太阳辐射传输被大量削减。阿贡火山（1963）、el chichón（1982）以及皮纳图博火山为最近的含硫气体引起临时性太阳辐射削减的例子。
实验室测量与平流层观测已经证实了火山产生的颗粒物在表面的反应可以通过增加高反应活性含氯气体、一氧化氯（clo）的数量而增加臭氧损耗。臭氧的响应依赖于火山喷发之后的总eesc的丰度（见q16）。在具有相对低eesc的时期中，如20世纪60年代早期，臭氧对输入平流层的火山硫酸盐颗粒物不是非常敏感。在高eesc数量的时期中，如自1980到现在，臭氧预计在大型爆发性火山喷发之后显著减少。最近的大型火山喷发为皮纳图博火山，其导致约10倍可以发生表面反应的颗粒物数量的增加。el chichón（1982）以及皮纳图博火山使得在几年中臭氧损耗增加（见图q14-1）。在1963年阿拉贡火山喷发之后的eesc很低而不能发生臭氧损耗。火山喷发对臭氧的效应在喷发后的几年中随着火山颗粒物通过重力沉降和大规模大气传输被逐步从平流层中消除而减小。随着颗粒物被消除，太阳传输被修复。基于平流层火山颗粒物的低停留时间，在过去三十年中的两个大型火山不可能直接解释同时期内观测到的连续的长期总臭氧下降。
来自于火山的活性氯 爆发性火山烟流一般含有大量的活性氯（以hcl的形式），hcl为一种活性卤素气体并可以被转化为clo，后者可以快速破坏臭氧层（如图q8-3所示）。该烟流也包含了大量的水蒸气，其可以在新形成的上升烟流中形成雨水和冰。在底层大气中（对流层）雨水和冰可以有效清除hcl。结果绝大多数在火山烟流中的hcl不能进入平流层。在最近的爆发性火山喷发之后，在平流层中的hcl的观测已经证实了与来自于其他来源的平流层氯的总量相比其增加量很小。
南极火山 在南极大陆上的火山由于其接近于南极臭氧空洞而被引起极大兴趣。一般而言，在南极的一座爆发性火山可以将火山气溶胶和少数hcl直接输入到平流层，这将引起臭氧空洞。爆发性南极火山喷发已经至少每隔几年发生一次以维持平流层中的火山排放，但是可能成为自20世纪80年代早期开始的每年复发的臭氧空洞的一个原因。但事实并非如此，仅仅厄瑞玻斯火山喷发在南极处于活跃状态，自1980年之后没有像厄瑞玻斯或任何其他南极火山喷发。因此，爆发性火山喷发在过去的三十年中已经造成了南极臭氧空洞，并且如上所述，已经不能充分地引发总臭氧的长期损耗。
总臭氧和未来的火山爆发 大气观测和大气模型表明在1992-1993年记录的低臭氧水平归因于于皮纳图博火山喷发所产生的大量颗粒物及其伴随着在20世纪90年代早期的平流层中出现的相对大量的eesc。如果皮纳图博火山喷发发生在1980年之前，臭氧的变化将更加低于1992-1993年所观测的结果，因为eesc数值将更加低。在21世纪的年中，即使ods在范围内下降，eesc数值将保持相当大，直到2050年才可以达到1980年的水平（如图q16-1和q20-2所示）。在此期间如果发生爆发性火山喷发将引发更多的臭氧损耗，如果发生一个超过皮纳图博火山的火山喷发，臭氧损耗峰值将远远大于之前观测得到的结果，并且大量的臭氧损耗可能维持更久的时间段。随着卤素气体丰度不断下降，火山喷发对臭氧的效应将减弱。
图q 14‑1太阳辐射变化和火山喷发
在20世纪80年代初，臭氧量已经开始下降。图q14-1中显示了臭氧值，其中3个月均值没有进行太阳活动或火山喷发影响的修正，年均值进行了季节性和太阳活动影响的修正。长期的臭氧损耗主要是由于平流层等效氯当量（eesc），该时期的eesc一直在增加。自从20世纪90年代中期，臭氧量和eesc变化有所缓和并且出现反转迹象。入射太阳辐射会发生周期性变化，这种为期11年的周期性与太阳黑子活动有关。波长为10.7cm的入射太阳辐射量通常用来指代在紫外波长范围内的能够产生臭氧的入射太阳辐射量。10.7cm波长的辐射量明确地表明了最近时期太阳辐射的值和最小值。太阳辐射与臭氧变化之间的比较强力地表明了单独的太阳辐射输出的周期性变化不能解释臭氧总量的长期损耗。大型的火山喷发后，在平流层形成的大量新的含硫颗粒能够减少太阳辐射对地表的传输量。在夏威夷的观测发现：20世纪60年代至21世纪10年代期间的三次大型火山喷发临时降低了太阳辐射的传输量。火山颗粒加速了臭氧损耗，只要短短几年就能使臭氧通过自然过程从平流层被去除。因此，最近两次火山喷发不可能是臭氧总量长期持续损耗的原因。
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