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每年9月16日是國際臭氧層保護日。相信各位讀者已經(jīng)獲悉南極“臭氧洞”正逐漸恢復的喜訊，但事實上，“臭氧洞”修復仍面臨著來自氣候變暖的挑戰(zhàn)，而對流層臭氧污染也有許多難解的科學問題，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的首要空氣質(zhì)量問題……

在這個特別的日子，我們邀請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。

臭氧知識點

■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人類、動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。

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

■人為活動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，近地面和對流層臭氧卻呈現(xiàn)總體增加趨勢。

■1987年旨在保護臭氧層、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，地球不用怕了嗎？

南極“臭氧洞”是上世紀80年代以來地球最大的環(huán)境問題之一。科學家于上世紀中期發(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月中上旬達到最大面積，11月底至12月初消失。

2016年，《科學》期刊發(fā)表的一項研究指出，科學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。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)在修復了，地球可以就此不用怕了嗎？

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

另一方面，臭氧層修復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，導致越來越多的熱量駐留在低層大氣（對流層）。對流層溫度的上升氨氣報警器，抬升了對流層層頂，使得貧臭氧氣團進入平流層，進而通過復雜的大氣物理化學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，但此前平流層臭氧損耗帶來的極地渦旋、南極濤動的變化，以及由此引發(fā)的降雨、氣溫和洋流等整個氣候地理系統(tǒng)的變化voc氣體檢測儀，影響仍在持續(xù)。而它們彼此之間錯綜復雜的關(guān)系和影響機理仍有待科學家進一步探索。

【距地面約10-12公里——對流層】

全球首份對流層臭氧評估報告，要回答哪些問題？

對流層臭氧實際是一種光化學污染物，主要是由氮氧化物和揮發(fā)性有機物等一次污染物，在高溫強光照的天氣背景下產(chǎn)生的。這種在強烈陽光紫外線照射下，由一次污染物發(fā)生光化學反應(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重？在進行強排放控制的國家，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？大氣科學界如何更好地量化臭氧對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？

為了回答這些問題，國際全球大氣化學項目（IGAC）2014年啟動了對流層臭氧評估報告（TOAR）計劃臭氧，使命是為研究界提供對流層臭氧從地表到對流層頂?shù)娜蚍植己挖厔莸淖钚驴茖W評估。該計劃主要目標有二，一是根據(jù)所有能獲得的地面臭氧觀測資料，經(jīng)同行評審文獻和新的分析，制作第一份綜合性的對流層臭氧評估報告；二是針對全球數(shù)千個測量地點（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的數(shù)據(jù)，供自由獲取，為研究臭氧對氣候、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)測試點城市的臭氧污染特征》）

TOAR計劃吸引了全球36個國家220余名科學家參與其中，其中包括來自中國氣象科學研究院徐曉斌研究員等中國科學家。目前，該計劃已經(jīng)建立了一個全球地表臭氧觀測數(shù)據(jù)庫，并生成了一整套臭氧指標產(chǎn)品，包括標準統(tǒng)計數(shù)據(jù)，健康和植被影響指標以及趨勢信息。第一期對流層臭氧綜合評估的主要成果和內(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，還會有進一步的成果公布，TOAR也會著手開展新一輪評估。

【TOAR檔案】

評估時間窗口：2000-2014年

觀測站點數(shù)量：近10000個

整體情況：

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

■亞洲對流層臭氧濃度是全世界增長最快的區(qū)域，與其經(jīng)濟發(fā)展速度呈正相關(guān)。但該地區(qū)能用于長期趨勢評估的數(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)等站的觀測時間較長。雖然從2013年開始中國建立了大量觀測站點開始觀測地面臭氧，但觀測起步較晚，數(shù)據(jù)未能進入此次評估報告。

■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，需要進一步逐步引入更嚴格的標準、采取更嚴格的措施控制發(fā)電廠、工廠鍋爐、機動車等的排放。

■揮發(fā)性有機物（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、先進污染物治理設(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)性有機物不容忽視，其隨季節(jié)、地域的不同排放量會發(fā)生變化，且植物排放的揮發(fā)性有機物活性遠超人為排放的揮發(fā)性有機物。

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