Q14 影響臭氧層恢復的因素
注：本文轉載自“含氟氣體與環境問題”公眾號
經過加強和修改調整的《蒙特利爾議定書》已經成功地控制了破壞臭氧層的ods的生產和消費（參見q15）。因此，大氣ods濃度已經達到峰值并且開始下降（參見q7和q16）。截至2012年，等價有效平流層氯原子（eesc，平流層中氯原子和溴原子總量）與15年前在中緯度地區的峰值相比已經下降15%。目前的問題是，上述的觀測結果是否帶來了臭氧總量的增加呢？
識別臭氧量的增加并非易事，這是由于ods水平并非決定臭氧濃度水平的因素。例如，在eesc峰值之前的五年，臭氧量的最小值就已經被觀測到。這種時間上的差異是由于臭氧量水平受到了1991年皮納圖博火山爆發產生的平流層氣溶膠的影響。這種影響在隨后的幾年里導致了臭氧損耗的增加。在20世紀90年代觀測到的臭氧總量增加是平流層氣溶膠逐步去除的結果，而并非由于ods的減少（參見q14）。另一個影響不同地區臭氧總量增加識別的因素是平流層大氣循環的年際變化。這些變化對不同地區大氣臭氧總量增加帶來的影響大于eesc的減少。最后，溫室氣體（如二氧化碳，co2）量增加使得平流層大氣溫度降低（這減緩了臭氧損耗率）、平流層循環增強（這增強了臭氧自熱帶地區向高緯度地區的傳輸），進而影響了臭氧層。因此很難把觀測到的臭氧量變化歸因于上述的不同因素。
目前的觀測數據顯示平流層高層（42千米）臭氧量在2000-2013年增加了5%。區分各種因素影響的模型模擬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這一區域的溫度降低，另一半原因是由于eesc的減少。并且，臭氧總量減少主要發生在20世紀80年代和90年代初期（自南緯60°至北緯60°平均減少約2.5%）。自2000年以來，這種現象并沒有明顯的變化，直到最近幾年有跡象表明臭氧總量有少量的增加。模型表明這種少量的增加與eesc的減少有關。這些基于模型和觀測數據的發現表明臭氧層恢復已有初步跡象。
由于其長壽命性，最主要的ods（cfc-11和cfc-12）對平流層臭氧的影響將持續在排放停止后持續數十年。按照仍然遵循《蒙特利爾議定書》的假定，eesc在接下來的數十年里仍將繼續減少，并在本世紀中葉左右恢復至20世紀80年代之前的水平。除去熱帶地區（參見q20），氣候變化加加速臭氧層恢復至20世紀80年代之前的水平。然而，只要ods濃度在大氣中維持在比較高的水平，由火山爆發或冷冬導致的臭氧損耗的事件在21世紀下半葉發生的可能性就仍然存在。
太陽輻射變化與來自火山噴發的平流層顆粒物增加二者都可以影響平流層臭氧的豐度。總臭氧在20世紀90年代早期相對于1980年之前下降了大約5%，現在大約低于1980年之前的3%（見q13）。臭氧損耗主要歸因于活性鹵素氣體的增加，以及在20世紀90年代早期的外加損耗與皮納圖博火山的噴發有關。活性鹵素氣體以等效平流層氯（eesc）的變化表示，該值可以說明平流層氯和溴的豐度以及它們破壞臭氧層的有效性差異（見q16中的定義）。臭氧和eesc的平穩年際變化的對比顯示二者的數量呈現反向相關，即臭氧的減少伴隨著eesc的增加（如圖q14-1所示）。在20世紀90年代中期之后，二者每年的變化量保持不變并在之后緩慢顛倒標志。太陽輻射與火山活動不表現出如此平穩、長期的變化，正如下面所述，并且因此不能成為長期臭氧損耗的原因。
總臭氧與太陽變化 平流層臭氧的形成由來自于太陽的紫外輻射（uv）啟動（如圖q2-1所示），結果就是太陽輻射增加將使得地球大氣中的臭氧數量增加。太陽輻射輸出與黑子數量在證據充分的11年太陽活動周期中多樣變化。自20世紀60年代之后的若干太陽活動周期的觀測顯示總臭氧水平在典型周期中的和最小值范圍內變化1%-2%。入射波長為10.7cm的太陽輻射的變化經常被作為一種替代研究太陽紫外輻射輸出的變化，在該波長下的太陽輻射的長期變化如圖q14-1所示，其中清楚顯示了總太陽輻射輸出的值和最小值的交替時間段約為5-6年。如果太陽輻射輸出的變化為臭氧損耗的原因，在1980或之前就可以觀測到一種不斷下降的太陽輻射，并在20世紀90年代中期急劇下降。由于這種下降趨勢未被觀測到或在長期太陽輻射觀測中被發現，因此長期的臭氧下降不能僅僅歸因于太陽輻射。絕大多數分析定量解釋了11年的太陽周期對長期臭氧變化的影響，在本報告以及之前的國際科學評估報告中均已經存在。
總臭氧和過去的火山爆發 爆發性火山噴發直接向平流層輸入含硫氣體，造成新的硫酸鹽形成。這些顆粒物最初形成于火山下風向的平流層中，之后隨空氣通過平流層風運移傳播到整個半球或范圍內。一種監測火山顆粒物存在于平流層中的方法為對整個大氣的太陽輻射傳輸進行觀測（如圖q14-1所示）。當大量的新的顆粒物形成于廣闊區域的平流層中時，太陽輻射傳輸被大量削減。阿貢火山（1963）、el chichón（1982）以及皮納圖博火山為最近的含硫氣體引起臨時性太陽輻射削減的例子。
實驗室測量與平流層觀測已經證實了火山產生的顆粒物在表面的反應可以通過增加高反應活性含氯氣體、一氧化氯（clo）的數量而增加臭氧損耗。臭氧的響應依賴于火山噴發之后的總eesc的豐度（見q16）。在具有相對低eesc的時期中，如20世紀60年代早期，臭氧對輸入平流層的火山硫酸鹽顆粒物不是非常敏感。在高eesc數量的時期中，如自1980到現在，臭氧預計在大型爆發性火山噴發之后顯著減少。最近的大型火山噴發為皮納圖博火山，其導致約10倍可以發生表面反應的顆粒物數量的增加。el chichón（1982）以及皮納圖博火山使得在幾年中臭氧損耗增加（見圖q14-1）。在1963年阿拉貢火山噴發之后的eesc很低而不能發生臭氧損耗。火山噴發對臭氧的效應在噴發后的幾年中隨著火山顆粒物通過重力沉降和大規模大氣傳輸被逐步從平流層中消除而減小。隨著顆粒物被消除，太陽傳輸被修復。基于平流層火山顆粒物的低停留時間，在過去三十年中的兩個大型火山不可能直接解釋同時期內觀測到的連續的長期總臭氧下降。
來自于火山的活性氯 爆發性火山煙流一般含有大量的活性氯（以hcl的形式），hcl為一種活性鹵素氣體并可以被轉化為clo，后者可以快速破壞臭氧層（如圖q8-3所示）。該煙流也包含了大量的水蒸氣，其可以在新形成的上升煙流中形成雨水和冰。在底層大氣中（對流層）雨水和冰可以有效清除hcl。結果絕大多數在火山煙流中的hcl不能進入平流層。在最近的爆發性火山噴發之后，在平流層中的hcl的觀測已經證實了與來自于其他來源的平流層氯的總量相比其增加量很小。
南極火山 在南極大陸上的火山由于其接近于南極臭氧空洞而被引起極大興趣。一般而言，在南極的一座爆發性火山可以將火山氣溶膠和少數hcl直接輸入到平流層，這將引起臭氧空洞。爆發性南極火山噴發已經至少每隔幾年發生一次以維持平流層中的火山排放，但是可能成為自20世紀80年代早期開始的每年復發的臭氧空洞的一個原因。但事實并非如此，僅僅厄瑞玻斯火山噴發在南極處于活躍狀態，自1980年之后沒有像厄瑞玻斯或任何其他南極火山噴發。因此，爆發性火山噴發在過去的三十年中已經造成了南極臭氧空洞，并且如上所述，已經不能充分地引發總臭氧的長期損耗。
總臭氧和未來的火山爆發 大氣觀測和大氣模型表明在1992-1993年記錄的低臭氧水平歸因于于皮納圖博火山噴發所產生的大量顆粒物及其伴隨著在20世紀90年代早期的平流層中出現的相對大量的eesc。如果皮納圖博火山噴發發生在1980年之前，臭氧的變化將更加低于1992-1993年所觀測的結果，因為eesc數值將更加低。在21世紀的年中，即使ods在范圍內下降，eesc數值將保持相當大，直到2050年才可以達到1980年的水平（如圖q16-1和q20-2所示）。在此期間如果發生爆發性火山噴發將引發更多的臭氧損耗，如果發生一個超過皮納圖博火山的火山噴發，臭氧損耗峰值將遠遠大于之前觀測得到的結果，并且大量的臭氧損耗可能維持更久的時間段。隨著鹵素氣體豐度不斷下降，火山噴發對臭氧的效應將減弱。
圖q 14?1太陽輻射變化和火山噴發
在20世紀80年代初，臭氧量已經開始下降。圖q14-1中顯示了臭氧值，其中3個月均值沒有進行太陽活動或火山噴發影響的修正，年均值進行了季節性和太陽活動影響的修正。長期的臭氧損耗主要是由于平流層等效氯當量（eesc），該時期的eesc一直在增加。自從20世紀90年代中期，臭氧量和eesc變化有所緩和并且出現反轉跡象。入射太陽輻射會發生周期性變化，這種為期11年的周期性與太陽黑子活動有關。波長為10.7cm的入射太陽輻射量通常用來指代在紫外波長范圍內的能夠產生臭氧的入射太陽輻射量。10.7cm波長的輻射量明確地表明了最近時期太陽輻射的值和最小值。太陽輻射與臭氧變化之間的比較強力地表明了單獨的太陽輻射輸出的周期性變化不能解釋臭氧總量的長期損耗。大型的火山噴發后，在平流層形成的大量新的含硫顆粒能夠減少太陽輻射對地表的傳輸量。在夏威夷的觀測發現：20世紀60年代至21世紀10年代期間的三次大型火山噴發臨時降低了太陽輻射的傳輸量。火山顆粒加速了臭氧損耗，只要短短幾年就能使臭氧通過自然過程從平流層被去除。因此，最近兩次火山噴發不可能是臭氧總量長期持續損耗的原因。
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經過加強和修改調整的《蒙特利爾議定書》已經成功地控制了破壞臭氧層的ods的生產和消費（參見q15）。因此，大氣ods濃度已經達到峰值并且開始下降（參見q7和q16）。截至2012年，等價有效平流層氯原子（eesc，平流層中氯原子和溴原子總量）與15年前在中緯度地區的峰值相比已經下降15%。目前的問題是，上述的觀測結果是否帶來了臭氧總量的增加呢？
識別臭氧量的增加并非易事，這是由于ods水平并非決定臭氧濃度水平的因素。例如，在eesc峰值之前的五年，臭氧量的最小值就已經被觀測到。這種時間上的差異是由于臭氧量水平受到了1991年皮納圖博火山爆發產生的平流層氣溶膠的影響。這種影響在隨后的幾年里導致了臭氧損耗的增加。在20世紀90年代觀測到的臭氧總量增加是平流層氣溶膠逐步去除的結果，而并非由于ods的減少（參見q14）。另一個影響不同地區臭氧總量增加識別的因素是平流層大氣循環的年際變化。這些變化對不同地區大氣臭氧總量增加帶來的影響大于eesc的減少。最后，溫室氣體（如二氧化碳，co2）量增加使得平流層大氣溫度降低（這減緩了臭氧損耗率）、平流層循環增強（這增強了臭氧自熱帶地區向高緯度地區的傳輸），進而影響了臭氧層。因此很難把觀測到的臭氧量變化歸因于上述的不同因素。
目前的觀測數據顯示平流層高層（42千米）臭氧量在2000-2013年增加了5%。區分各種因素影響的模型模擬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這一區域的溫度降低，另一半原因是由于eesc的減少。并且，臭氧總量減少主要發生在20世紀80年代和90年代初期（自南緯60°至北緯60°平均減少約2.5%）。自2000年以來，這種現象并沒有明顯的變化，直到最近幾年有跡象表明臭氧總量有少量的增加。模型表明這種少量的增加與eesc的減少有關。這些基于模型和觀測數據的發現表明臭氧層恢復已有初步跡象。
由于其長壽命性，最主要的ods（cfc-11和cfc-12）對平流層臭氧的影響將持續在排放停止后持續數十年。按照仍然遵循《蒙特利爾議定書》的假定，eesc在接下來的數十年里仍將繼續減少，并在本世紀中葉左右恢復至20世紀80年代之前的水平。除去熱帶地區（參見q20），氣候變化加加速臭氧層恢復至20世紀80年代之前的水平。然而，只要ods濃度在大氣中維持在比較高的水平，由火山爆發或冷冬導致的臭氧損耗的事件在21世紀下半葉發生的可能性就仍然存在。
太陽輻射變化與來自火山噴發的平流層顆粒物增加二者都可以影響平流層臭氧的豐度。總臭氧在20世紀90年代早期相對于1980年之前下降了大約5%，現在大約低于1980年之前的3%（見q13）。臭氧損耗主要歸因于活性鹵素氣體的增加，以及在20世紀90年代早期的外加損耗與皮納圖博火山的噴發有關。活性鹵素氣體以等效平流層氯（eesc）的變化表示，該值可以說明平流層氯和溴的豐度以及它們破壞臭氧層的有效性差異（見q16中的定義）。臭氧和eesc的平穩年際變化的對比顯示二者的數量呈現反向相關，即臭氧的減少伴隨著eesc的增加（如圖q14-1所示）。在20世紀90年代中期之后，二者每年的變化量保持不變并在之后緩慢顛倒標志。太陽輻射與火山活動不表現出如此平穩、長期的變化，正如下面所述，并且因此不能成為長期臭氧損耗的原因。
總臭氧與太陽變化 平流層臭氧的形成由來自于太陽的紫外輻射（uv）啟動（如圖q2-1所示），結果就是太陽輻射增加將使得地球大氣中的臭氧數量增加。太陽輻射輸出與黑子數量在證據充分的11年太陽活動周期中多樣變化。自20世紀60年代之后的若干太陽活動周期的觀測顯示總臭氧水平在典型周期中的和最小值范圍內變化1%-2%。入射波長為10.7cm的太陽輻射的變化經常被作為一種替代研究太陽紫外輻射輸出的變化，在該波長下的太陽輻射的長期變化如圖q14-1所示，其中清楚顯示了總太陽輻射輸出的值和最小值的交替時間段約為5-6年。如果太陽輻射輸出的變化為臭氧損耗的原因，在1980或之前就可以觀測到一種不斷下降的太陽輻射，并在20世紀90年代中期急劇下降。由于這種下降趨勢未被觀測到或在長期太陽輻射觀測中被發現，因此長期的臭氧下降不能僅僅歸因于太陽輻射。絕大多數分析定量解釋了11年的太陽周期對長期臭氧變化的影響，在本報告以及之前的國際科學評估報告中均已經存在。
總臭氧和過去的火山爆發 爆發性火山噴發直接向平流層輸入含硫氣體，造成新的硫酸鹽形成。這些顆粒物最初形成于火山下風向的平流層中，之后隨空氣通過平流層風運移傳播到整個半球或范圍內。一種監測火山顆粒物存在于平流層中的方法為對整個大氣的太陽輻射傳輸進行觀測（如圖q14-1所示）。當大量的新的顆粒物形成于廣闊區域的平流層中時，太陽輻射傳輸被大量削減。阿貢火山（1963）、el chichón（1982）以及皮納圖博火山為最近的含硫氣體引起臨時性太陽輻射削減的例子。
實驗室測量與平流層觀測已經證實了火山產生的顆粒物在表面的反應可以通過增加高反應活性含氯氣體、一氧化氯（clo）的數量而增加臭氧損耗。臭氧的響應依賴于火山噴發之后的總eesc的豐度（見q16）。在具有相對低eesc的時期中，如20世紀60年代早期，臭氧對輸入平流層的火山硫酸鹽顆粒物不是非常敏感。在高eesc數量的時期中，如自1980到現在，臭氧預計在大型爆發性火山噴發之后顯著減少。最近的大型火山噴發為皮納圖博火山，其導致約10倍可以發生表面反應的顆粒物數量的增加。el chichón（1982）以及皮納圖博火山使得在幾年中臭氧損耗增加（見圖q14-1）。在1963年阿拉貢火山噴發之后的eesc很低而不能發生臭氧損耗。火山噴發對臭氧的效應在噴發后的幾年中隨著火山顆粒物通過重力沉降和大規模大氣傳輸被逐步從平流層中消除而減小。隨著顆粒物被消除，太陽傳輸被修復。基于平流層火山顆粒物的低停留時間，在過去三十年中的兩個大型火山不可能直接解釋同時期內觀測到的連續的長期總臭氧下降。
來自于火山的活性氯 爆發性火山煙流一般含有大量的活性氯（以hcl的形式），hcl為一種活性鹵素氣體并可以被轉化為clo，后者可以快速破壞臭氧層（如圖q8-3所示）。該煙流也包含了大量的水蒸氣，其可以在新形成的上升煙流中形成雨水和冰。在底層大氣中（對流層）雨水和冰可以有效清除hcl。結果絕大多數在火山煙流中的hcl不能進入平流層。在最近的爆發性火山噴發之后，在平流層中的hcl的觀測已經證實了與來自于其他來源的平流層氯的總量相比其增加量很小。
南極火山 在南極大陸上的火山由于其接近于南極臭氧空洞而被引起極大興趣。一般而言，在南極的一座爆發性火山可以將火山氣溶膠和少數hcl直接輸入到平流層，這將引起臭氧空洞。爆發性南極火山噴發已經至少每隔幾年發生一次以維持平流層中的火山排放，但是可能成為自20世紀80年代早期開始的每年復發的臭氧空洞的一個原因。但事實并非如此，僅僅厄瑞玻斯火山噴發在南極處于活躍狀態，自1980年之后沒有像厄瑞玻斯或任何其他南極火山噴發。因此，爆發性火山噴發在過去的三十年中已經造成了南極臭氧空洞，并且如上所述，已經不能充分地引發總臭氧的長期損耗。
總臭氧和未來的火山爆發 大氣觀測和大氣模型表明在1992-1993年記錄的低臭氧水平歸因于于皮納圖博火山噴發所產生的大量顆粒物及其伴隨著在20世紀90年代早期的平流層中出現的相對大量的eesc。如果皮納圖博火山噴發發生在1980年之前，臭氧的變化將更加低于1992-1993年所觀測的結果，因為eesc數值將更加低。在21世紀的年中，即使ods在范圍內下降，eesc數值將保持相當大，直到2050年才可以達到1980年的水平（如圖q16-1和q20-2所示）。在此期間如果發生爆發性火山噴發將引發更多的臭氧損耗，如果發生一個超過皮納圖博火山的火山噴發，臭氧損耗峰值將遠遠大于之前觀測得到的結果，并且大量的臭氧損耗可能維持更久的時間段。隨著鹵素氣體豐度不斷下降，火山噴發對臭氧的效應將減弱。
圖q 14?1太陽輻射變化和火山噴發
在20世紀80年代初，臭氧量已經開始下降。圖q14-1中顯示了臭氧值，其中3個月均值沒有進行太陽活動或火山噴發影響的修正，年均值進行了季節性和太陽活動影響的修正。長期的臭氧損耗主要是由于平流層等效氯當量（eesc），該時期的eesc一直在增加。自從20世紀90年代中期，臭氧量和eesc變化有所緩和并且出現反轉跡象。入射太陽輻射會發生周期性變化，這種為期11年的周期性與太陽黑子活動有關。波長為10.7cm的入射太陽輻射量通常用來指代在紫外波長范圍內的能夠產生臭氧的入射太陽輻射量。10.7cm波長的輻射量明確地表明了最近時期太陽輻射的值和最小值。太陽輻射與臭氧變化之間的比較強力地表明了單獨的太陽輻射輸出的周期性變化不能解釋臭氧總量的長期損耗。大型的火山噴發后，在平流層形成的大量新的含硫顆粒能夠減少太陽輻射對地表的傳輸量。在夏威夷的觀測發現：20世紀60年代至21世紀10年代期間的三次大型火山噴發臨時降低了太陽輻射的傳輸量。火山顆粒加速了臭氧損耗，只要短短幾年就能使臭氧通過自然過程從平流層被去除。因此，最近兩次火山噴發不可能是臭氧總量長期持續損耗的原因。
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