英國人喬· 法曼發(fā)現(xiàn)臭氧空洞始末

　　大氣中的臭氧含量減少1%，人類就會(huì)多3%的幾率得皮膚癌。截至2008年11月8日，南極的臭氧空洞較往年沒有變大。很多人也許因此免于罹患皮膚癌。在中國氣象科學(xué)研究院極地氣象研究室主任陸龍驊看來，這多虧英國人喬·法曼(Joe Farman)1985年發(fā)現(xiàn)了臭氧空洞。

　　天上有個(gè)大洞

　　1957年，作為英國南極考察隊(duì)的一員，劍橋大學(xué)的教師喬·法曼被首次派往哈雷灣觀測站。時(shí)值國際地球物理年，包括英國在內(nèi)的12個(gè)國家在南極洲新設(shè)了多個(gè)觀測站，觀測極地氣象。喬·法曼的任務(wù)之一，就是測量空氣中的臭氧含量。此后每年，法曼都要到南極去。只是在1957年的南極洲，對臭氧的監(jiān)測僅是其中很小的部分。當(dāng)時(shí)的“第七大陸”看上去有更多有價(jià)值的監(jiān)測目標(biāo)。因此法曼等人對臭氧也只是做常規(guī)監(jiān)測。

　　英國南極考察隊(duì)所用的監(jiān)測儀器是多布森分光光度計(jì)(Dobsonmeter)，這是被公認(rèn)為測量臭氧的標(biāo)準(zhǔn)儀器，主要通過測量達(dá)到地面的紫外線輻射來間接反應(yīng)大氣中的臭氧含量。1981年南半球的春季，新測出的數(shù)據(jù)引起了喬·法曼和同事加迪納(B. G.Gardiner)、尚克林(J. D. Shanklin)的注意，它顯示南極洲上空的臭氧層面積較過去小了很多。“怎么回事呢?”一直狀態(tài)低迷的喬·法曼變得異常興奮。

　　“這會(huì)不會(huì)只是一個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)呢?”他重新調(diào)校了儀器。隨后的1982和1983年，所測得的數(shù)據(jù)顯示了同樣的結(jié)果。喬·法曼意識到，有大事情發(fā)生了。1984年10月，數(shù)據(jù)顯示南極上空的臭氧層面積比平均水平減少了40%，而且這個(gè)大洞已經(jīng)擴(kuò)大到了南美洲南端的火地島。喬·法曼重新翻閱了過去記錄的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)臭氧層的減少實(shí)際上大約在1977年就開始了。

　　他沒有再猶豫。5個(gè)月之后，1985年5月16日，《自然》雜志刊出了他們的文章，正式闡述了南極上空春季臭氧空洞存在的問題：自1975年起，每年早春(10月份)期間總臭氧的減弱大于30%，而1957~1975年間的變化并不大。文中強(qiáng)調(diào)，這個(gè)空洞并不是自然原因造成的，而是由于CFCs等臭氧破壞物質(zhì)造成的。

　　差不多同時(shí)，身處日本昭和觀測站的忠缽繁(Shigeru Chubachi)也注意到了同樣的信息。“他在日本國內(nèi)發(fā)表文章公布了自己的發(fā)現(xiàn)，但影響力沒有喬·法曼在《自然》雜志的這一篇大。”陸龍驊說，雖然現(xiàn)在公認(rèn)喬·法曼發(fā)現(xiàn)了南極臭氧空洞，其實(shí)忠缽繁的貢獻(xiàn)也不小。

　　CFCs燒出的空洞

　　CFCs(氟氯碳化物)即日常俗稱的氟利昂，顧名思義，是含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的化合物。它的應(yīng)用范圍極廣，從很早開始就被應(yīng)用于汽車和冰箱等冷凍空調(diào)的冷媒、電子和光學(xué)元件的清洗溶劑，以及化妝品噴霧劑，在工業(yè)上使用非常普遍。

　　“CFCs化學(xué)性質(zhì)非常安定，不可燃且沒有毒性，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，過去一直被認(rèn)為是安全又理想的化學(xué)物質(zhì)。”陸龍驊說。1930年，CFCs首次由杜邦公司和通用汽車共同研發(fā)出來，此后在全球各工業(yè)國家的使用量便不斷增加。廠商大量制造，使用者也任其擴(kuò)散至大氣中。當(dāng)時(shí)還沒有人能意識到，40年后，人為因素可能破壞大氣中臭氧的重大事實(shí)會(huì)被突然擺上臺面。

　　法曼發(fā)現(xiàn)臭氧的明顯減弱是從20世紀(jì)70年代開始的。當(dāng)時(shí)正值超音速航空技術(shù)開始顯示出巨大的商業(yè)價(jià)值。擁有超音速能力的協(xié)和客機(jī)的首飛在清楚地提醒著市場，國際航班所花費(fèi)的時(shí)間有望縮短數(shù)倍。而與此同時(shí)，也開始有論文指出，新興的超音速航空器(SST)需要在平流層飛行，會(huì)排放氮氧化物(NOx)、硫化物和大量的水汽，這同樣值得注意。

　　1971年，加州大學(xué)伯克利分校的物理化學(xué)家哈羅德·約翰斯頓(Harold Johnston)提出警告：SST將嚴(yán)重破壞臭氧層。有SST發(fā)射需要的NASA試圖用“合理忽略”來逃避這個(gè)警告：“噴發(fā)量很小，因此可以合理地忽略。”NASA的解釋并沒有成功，反而讓科學(xué)界將注意的焦點(diǎn)從超音速航空器和NOx，轉(zhuǎn)移到氯上，在此之前，火山爆發(fā)所釋放的氯被看作是平流層中氯的唯一來源。

　　1972年7月，NASA正式公布SST的環(huán)境影響評估報(bào)告書，堅(jiān)持認(rèn)為其對環(huán)境的影響不大，并煞有其事地委托西根大學(xué)的兩位教授測試這份報(bào)告書。意想不到的是，受委托的史托斯基(Richard S. Stolarski)和塞西隆(Ralph J.Cicerone)提交了與NASA意圖完全相左的評估報(bào)告：“SST所排放的氯，將嚴(yán)重破壞平流的臭氧。”

　　兩年后，美國加利福尼亞大學(xué)歐文分校的化學(xué)教授F·舍伍德·羅蘭(F.SheRwoodRowland)和他的博士后研究員馬里奧·J·莫尼納在《自然》雜志發(fā)表了《平流層中氯代氟氯甲烷原子對臭氧層的催化性破壞》一文。在文中，羅蘭推測，在平流層中對含氟氯烴的光離解能產(chǎn)生大量的氯原子，從而導(dǎo)致大氣層中的臭氧遭到破壞。但這種源于推測性的理論并沒有引起多大的注意，工業(yè)界、公眾和政客們的傾向性意見是，如果臭氧層沒有破損就不要急著修復(fù)。

　　不過，也正是這篇文章對喬·法曼的發(fā)現(xiàn)起了啟蒙作用。它揭示了過去近50年時(shí)間里，臭氧殺手隱身的原因：“CFCs的生命期長達(dá)40~150年，因此會(huì)在大氣中不斷累積，最后將上升至平流層。平流層所能接納的氯相當(dāng)有限，而且即使大幅降低CFCs的使用量，大氣也需要一段相當(dāng)長的時(shí)間才能減緩臭氧的分解。”

　　“氟利昂之所以會(huì)對臭氧層造成如此嚴(yán)重的傷害，關(guān)鍵就在其所含的‘氯’——在平流層的低溫條件下，平流層冰晶云的表面會(huì)吸附氟里昂等含‘氯’和含溴的污染物質(zhì)，激發(fā)氯和溴的活性，在紫外線作用下，通過光化學(xué)反應(yīng)大量消耗臭氧。一個(gè)氯原子可以破壞10萬個(gè)以上的臭氧。”至于空洞會(huì)出現(xiàn)在南極上空，而非其他地區(qū)的原因，據(jù)陸龍驊分析，是因?yàn)榇杭灸蠘O平流層極地漩渦中的溫度低于—78℃，這是臭氧空洞在南極出現(xiàn)的自然因素。

　　NASA的兩次粗心

　　關(guān)于空洞的發(fā)現(xiàn)者，法曼的版本是大眾版，并非沒有爭議。陸龍驊個(gè)人認(rèn)為忠缽繁與法曼的發(fā)現(xiàn)就很難分清先后。另一種主要的聲音則來自NASA。20世紀(jì)80年代，就誰是發(fā)現(xiàn)空洞的第一人，長期以來用衛(wèi)星監(jiān)測臭氧的NASA也一直有自己的說法。在NASA看來，這是面子問題。

　　南極臭氧空洞存在的證實(shí)，無疑為CFCs破壞臭氧層提供了一個(gè)有力的證據(jù)。法曼的論文一經(jīng)發(fā)表，立即引起了世界范圍內(nèi)的關(guān)注。在隨后的兩年里，從化學(xué)、氣象以及太陽活動(dòng)周期影響等方面研究南極臭氧空洞問題的成果大量涌現(xiàn)�；�于安裝在“雨云7號”(Nimbus—7)衛(wèi)星上的臭氧總量制圖光譜儀(TOMS)和太陽后向散射紫外線儀器(SBUV)提供的數(shù)據(jù)，NASA在1986年也證實(shí)，臭氧空洞是區(qū)域性的南極現(xiàn)象。

　　但是NASA這一及時(shí)而深入的補(bǔ)救發(fā)現(xiàn)，并沒有為自己贏得掌聲。一個(gè)普遍的質(zhì)疑是，1978年便發(fā)射的“雨云7號”一直在對世界各地的臭氧總量進(jìn)行監(jiān)測，在NASA的總部每天有14萬份的磁帶備份資料，為什么發(fā)現(xiàn)南極臭氧空洞的卻是設(shè)備簡單至極的喬·法曼?

　　幾年后的一次電臺訪問上，史托斯基揭開了謎底，“盡管NASA的衛(wèi)星記錄了南極上空臭氧量的減少，但衛(wèi)星軟件卻當(dāng)作異常數(shù)據(jù)自動(dòng)忽略了。”這一說法讓NASA暫時(shí)擺脫了尷尬。不過NASA內(nèi)部始終對此頗有微詞。2001年，一直參與臭氧研究的NASA科學(xué)家理查德·麥克彼在接受訪問時(shí)說，“指責(zé)NASA錯(cuò)過南極臭氧空洞的發(fā)現(xiàn)是不公平的，事實(shí)上，在喬·法曼發(fā)表論文之前的1984年，我們就知道南極臭氧量在1983年10月急劇減少，只是最后論文的發(fā)表晚了一步。”

　　喬·法曼可不這么認(rèn)為。“在我發(fā)表論文之前，我從來沒聽說過NASA有這樣的發(fā)現(xiàn)。”他覺得軟件自動(dòng)忽略錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的說法至少還說得通，可事情過去了這么久，NASA又來翻過去的舊賬多少有點(diǎn)不太厚道。于是他又揭了NASA的一個(gè)老底：除了基于軟件的忽略之外，NASA還錯(cuò)過了另外一次機(jī)會(huì)。“我的同事尚克林在1983年底，兩次向NASA反映我們對臭氧空洞的驚人發(fā)現(xiàn)，但沒有得到任何回復(fù)。”

　　“我們沒有收過這樣的信。”負(fù)責(zé)NASA的衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作的哈蒂亞(Pawan Bhartia)說，他們最初在1984年9月意識到了南極上空臭氧的消逝，“我們是在希臘的一個(gè)會(huì)上聽說日本發(fā)現(xiàn)了臭氧減少。”

　　如此一來二往，NASA似乎特別熱衷于糾纏在這個(gè)問題上打嘴仗。在肯定臭氧空洞存在的情況下，NASA又將忽略空洞形成的原因歸結(jié)于“極端氣象”，直到所有的事實(shí)都指向臭氧空洞不是自然原因造成，NASA才知道犯了多大的錯(cuò)誤。

　　后臭氧空洞時(shí)代

　　“帶上遮陽帽、墨鏡，涂些防曬霜吧，臭氧空洞沒什么大不了。”里根時(shí)代的內(nèi)務(wù)部長詹姆斯·瓦特曾在公開場合如此調(diào)侃。和他一樣，起初人們對臭氧空洞危害的認(rèn)識并不深。但據(jù)醫(yī)生們估計(jì)，除其他科學(xué)家預(yù)測的損害之外，如果任憑臭氧層被破壞，僅皮膚癌的病例就會(huì)增加13億例。誰也樂觀不起來了。

　　喬·法曼自己都沒有想到，他的這一發(fā)現(xiàn)會(huì)如此深刻地影響世界——意識到CFCs對臭氧層的破壞之后，國際社會(huì)將限制其排放作為一個(gè)緊急議題對待，1987年，聯(lián)合國的眾多成員國簽署了《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》，簡稱《蒙特利爾議定書》，承諾分階段停止生產(chǎn)和使用CFCs制冷劑。“在國內(nèi)，原先的國家環(huán)境總局后來也開始規(guī)定，2007年7月1日起，任何企業(yè)不得生產(chǎn)除藥用吸入式氣霧劑用途、原料和豁免用途以外的CFCs物質(zhì)。”陸龍驊介紹，我國對南極臭氧空洞的檢測和研究近年來不斷在加強(qiáng)。目前WHO秘書處公布的南極臭氧公報(bào)中，也使用了中山站的大氣臭氧觀測資料。

　　及時(shí)的控制帶來的效果是明顯的。根據(jù)最新的預(yù)計(jì)，2060年左右臭氧層將恢復(fù)到20世紀(jì)80年代以前的水平。