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。時值國際地球物理年，包括英國在內(nèi)的12個國家在南極洲新設(shè)了多個觀測站，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)時的“第七大陸”看上去有更多有價值的監(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。

　　“這會不會只是一個錯誤數(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，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)時正值超音速航空技術(shù)開始顯示出巨大的商業(yè)價值。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)的時間有望縮短數(shù)倍。而與此同時，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)長的時間才能減緩臭氧的分解。”

　　“氟利昂之所以會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。一個氯原子可以破壞10萬個以上的臭氧。”至于空洞會出現(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這一及時而深入的補(bǔ)救發(fā)現(xiàn)，并沒有為自己贏得掌聲。一個普遍的質(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)自動忽略了。”這一說法讓NASA暫時擺脫了尷尬。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說，“指責(zé)NASA錯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)。”他覺得軟件自動忽略錯誤數(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的一個老底：除了基于軟件的忽略之外，NASA還錯過了另外一次機(jī)會。“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會上聽說日本發(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誤。

　　后臭氧空洞時代

　　“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，國際社會將限制其排放作為一個緊急議題對待，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中，也使用了中山站的大氣臭氧觀測資料。

　　及時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。