今年地球上這個比南極洲還大的洞，是火山轟出來的！

今年九月南極上空的臭氧層空洞（圖片來源：esa）

臭氧層空洞卷土重來，面積逼近歷史最大值。

撰文 | 冬鳶

或許有人還記得，今年年初，聯合國發布了一份新的臭氧層消耗報告，稱南極上空的臭氧層空洞預計在數十年內恢復到1980年的水平。

這不禁讓人開始期待：那個因為人類濫用氯氟烴類物質（如用作冰箱制冷劑的氟利昂）而被大量消耗，最終出現巨大空洞的臭氧層——終于要恢復了嗎？

但歐洲空間局（the European space agency）最新發布的監測結果，貌似潑出了一盆冷水。衛星監測顯示，今年9月16日，南極洲上方的臭氧層空洞面積達到了2600萬平方千米——面積約為三個巴西的大小——已經接近歷史最大紀錄，即2000年9月9日的2990萬平方千米（也有測量結果為2840萬平方千米）。

今年7月至9月臭氧層空洞的變化（圖片來源：esa）

臭氧層空洞的現狀

臭氧層位于距地面15km到30km的平流層，發揮著防止地球生物遭受過度紫外線傷害等重要作用。1985年，科學家在南極洲上空發現一個巨大且持續在增大的臭氧層空洞。1987年，由全球眾多國家參與的《蒙特利爾議定書》（Montreal Protocal）開始通過消除或限制近百種“消耗臭氧層物質”（ozone-depleting substances, ODS）——尤其是氟利昂——來保護臭氧層。

在《蒙特利爾議定書》的推動下，“消耗臭氧層物質”的使用大大減少。而且自2000年開始，臭氧層空洞已經有了逐漸縮小的趨勢。

2019年，臭氧層空洞面積達到了1985年以來的最小值（全年最大為1640萬平方千米），但這更多是由于當年南極洲上空氣溫較高，臭氧消耗效率降低所致。隨后幾年，臭氧層空洞面積又回到了較高的水平。

歷年來臭氧層空洞大?。▓D片來源：Copernicus Atmosphere Monitoring Service）

震動地球的火山

除了人類活動的直接影響，臭氧層消耗還可能和一些自然事件有關，如森林大火、火山爆發。而科學家認為，本年度臭氧層空洞的增大，便主要和一次火山爆發相關。

2022年1月15日，位于南太平洋湯加王國的洪阿哈阿帕伊島海底火山（后稱湯加火山）發生劇烈爆發。這是過去30年里最大的一次火山爆發，也是現代設備觀測到的最大的一次火山爆發。

湯加火山爆發（圖片來源：wikipedia）

美國航空航天局（NASA）的科學家吉姆·加文（Jim Garvin）說，這次火山爆發的能量相當于數百倍廣島原子彈爆炸所釋放的能量?；鹕奖l在全球多地引發了海嘯，從火山中噴發的物質甚至到達了海拔55千米的高空。

湯加火山的爆發引起了全球的廣泛關注，當然也包括科學家們。在火山爆發后的不到一周內，一個研究團隊就在火山下風向的一個島上放飛了氣象氣球，開始觀測火山引起的氣象變化。他們發現，在火山爆發的僅一周之后，熱帶的西南太平洋和印度洋上空的平流層臭氧就減少了5%。

有科學家推測，火山噴發柱會將海拔較低的對流層中臭氧含量低的空氣，帶到海拔更高的平流層中，從而導致火山上方平流層臭氧濃度的降低。但若是這種情況，平流層的臭氧濃度會在噴發結束后迅速恢復；而事實上，噴發后數日，平流層中的臭氧還在持續減少。

這說明，除了對流層空氣的影響外，火山噴發還導致平流層發生了化學改變，進而導致了臭氧的持續快速消耗。

湯加火山爆發在世界多地引發海嘯（圖片來源：wikipedia）

火山對平流層的改變

通常來說，平流層中的鹵素化合物是造成臭氧層損耗的重要罪魁禍首之一，比如氯化氫（HCl）、硝酸氯（ClNO3）和溴化氫（HBr）。以氯化氫為例，它們在光照和氫氧化物等的作用下會產生活躍的氯自由基或一氧化氯自由基，在這些自由基的作用下，臭氧會迅速地被消耗。

在通常情況下，氯化氫在光照作用下分解為自由基的效率很低，但如果是在云層或氣溶膠的表面，這一反應發生的效率就會非常高。這也部分解釋了為什么臭氧層空洞出現在南極上空——這主要是因為南極溫度很低，導致平流層容易形成云，使鹵素自由基更多，進而導致臭氧層的大量消耗。

這次的湯加火山爆發，就向平流層注入了大量的鹵素化合物，其中一部分可能來自于蒸發的海鹽。但在臭氧消耗上，起到關鍵作用的是水蒸氣。此次火山噴發出的水蒸氣，占全球平流層總負荷的10%。

原理示意圖（圖片來源：Evan et al, 2023）

大量的水蒸氣使得二氧化硫（大氣中存在，火山爆發也會釋放）更容易形成硫酸鹽氣溶膠，加速鹵素自由基的產生。氣象氣球的測量結果顯示，火山上方海拔26.4千米處的氣溶膠表面積密度峰值為286.9平方微米/每立方厘米，比平流層的一般水平高了600倍。

此外，火山水蒸氣注入平流層會導致濕度增加，并增強輻射制冷作用，也會讓鹵素自由基更容易形成。并且，硫酸鹽氣溶膠會降低氮氧化物的濃度，進而加速了鹵素自由基消耗臭氧的速率。

據科學家估計，此次火山噴發導致的平流層水蒸氣含量的大量增加，可能會持續4到5年，這可能會對臭氧層造成非常大的影響，今后還需持續的監測。

上述關于湯加火山爆發對臭氧層影響的研究，已經于10月20日發表在了《科學》（Science）上。這或許是在提醒我們，人類對自然界造成的傷害，就算在人類已經停止了傷害行為之后，其后果可能在很長一段時間內肉眼可見。

希望數十年后，我們能真的迎來聯合國的臭氧層消耗報告預測的那樣，臭氧層空洞回到1980年時水平的那一天吧。

歷年臭氧層空洞大小變化（圖片來源：Copernicus Atmosphere Monitoring Service）

參考鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg2551

https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Copernicus/Sentinel-5P/Ozone_hole_goes_large_again

https://www.eea.europa.eu/en/topics/in-depth/climate-change-mitigation-reducing-emissions/current-state-of-the-ozone-layer

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdfdirect/10.1029/97JD00912

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4076

https://earthobservatory.nasa.gov/images/149367/dramatic-changes-at-hunga-tonga-hunga-haapai

https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/annual_data.html

https://mp.weixin.qq.com/s/EdhcNlMh_uhf2j4hu62w0Q
https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-1334/egusphere-2023-1334.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/2022_Hunga_Tonga%E2%80%93Hunga_Ha%CA%BBapai_eruption_and_tsunami

https://mp.weixin.qq.com/s/bEmhhxtMVut5C6Zj4JO2ZA