【專欄】臭氧破洞持續恢復

地球大氣層有很大程度能夠自行清除污染物，但人類產生的一些污染物在排放到大氣中時，壽命很長，降低了大氣品質和產生有害的環境影響。氯氟烴（chlorofluorocarbons，CFCs)是其中一個化合物，它對消耗地球高層大氣中的臭氧，導致地球極地周圍，特別是南極洲上空的臭氧，春季大量減少，這種現象被稱為「氟氯化碳」或「臭氧破洞」。科學家在1985年首次提出臭氧破洞報告。

但是，美國宇航局（NASA）大氣科學家納旦尼爾·利維西（Nathaniel Livesey）現在所解釋的，由於氟氯化碳的逐步淘汰，地球的臭氧破洞正在恢復中。他說，這種轉變，為人類共同努力解決全球大氣問題，提供了一個很好的範例。

氟氯化碳以十億分之一的含量添加到大氣中。但是，氟氯化碳在消耗平流層臭氧方面也非常有效。臭氧保護我們免受有害的太陽紫外線輻射。使用氟氯化碳造成地球平流層臭氧層上破了一個洞。幸運的是，我們能夠及時發現問題，並達成一項全球協定，即《蒙特利爾議定書，Montreal Protocol》，逐步停止使用氟氯化碳。

從衛星觀測中獲得的這一系列臭氧總量圖。圖／擷自NASA，作者提供

在 2000 年代末和 2010 年代初的地圖上看，與 20 世紀 70 年代的地圖相比，450（Dobson Units，DU）及以上值的範圍大大減少。1997年和2011年臭氧總量低的大片區域（藍色）在南極記錄中是罕見的，但並非出乎意料。氣象條件導致這些冬季低於平均水準的平流層溫度和強烈的極地渦流，有利於臭氧強烈的消耗。

根據1987年最後定稿的《蒙特利爾議定書》及其2016年修正案，實施了一項多階段計畫，涉及使用氫氯氟烴（hydrochlorofluorocarbons，HCFCs)，因為氫氯氟烴對環境沒有氟氯化碳那樣有害，而且可用於同一設備，因為它們的化學結構與氟氯化碳非常相似。但是，HCFCs也造成臭氧層的破壞，儘管其速度比氟氯化碳要小，但也會造成全球變暖，因此在今後十年中，它們的使用也正在逐步減少。

雖然《蒙特利爾議定書》是一個偉大的成功案例，但解決地球二氧化碳和甲烷排放的問題是更難解決。世界各地的人們雖然都會使用氟氯化碳，但實際上，世界上只有大約四家公司實際生產氟氯化碳。對於二氧化碳，問題要複雜得多，因為到處都會產生二氧化碳。燃煤發電廠比氟氯化碳發電廠要多得多。人類活動產生的甲烷排放也是主要來源。因此，很難像使用氟氯化碳那樣模式，來解決這個問題。如果不多加考慮人類排放的二氧化碳的話，地球最近的溫度升高根本無法解釋和解決。

假如我們拿一公升水，滴下食物著色的話。你會立即注意到變化。同理，向大氣中添加微量溫室氣體也是如此。它們的存在，實際上會改變紅外衛星儀器觀察到的大氣層顏色。微波肢體發聲器（MLS）儀器有助於我們理解大氣臭氧。例如，它有助於驗證臭氧層的恢復情況。MLS還有助於研究平流層臭氧進入低層大氣，造成表面污染。地表的臭氧污染，對植物生長造成有害影響，估計作物損失數十億美元；但大氣的臭氧，卻保護我們免受太陽紫外線輻射的傷害。

微波肢體發聲器（MLS）除了觀測臭氧外，還跟蹤水蒸氣、大量微量氣體和大氣溫度。MLS是美國宇航局2004年7月15日發射的光環（Aura）衛星上的四個儀器之一。光環衛星，位於近705公里高度軌道。當地球在其下方旋轉時，光環軌道相對於太陽保持固定，每天提供全球覆蓋，每天15個軌道。

光環衛星上的MLS 測量大氣成分、溫度、濕度和雲冰，這是 （1） 跟蹤平流層臭氧層穩定性所需的，（2） 有助於改進對氣候變化和可變性的預測，以及 （3） 有助於全球空氣品質增進。MLS 測量是全球日夜進行的。MLS 技術的一個特點是，可以在存在冰雲和氣体溶膠的情況下獲得測量，這些冰雲和氣溶膠可以通過短波長的紅外、可見光和紫外線技術進行測量。所以，MLS在下列三個領域有科學目標，選擇一個區域將提供有關它的其他資訊：平流層臭氧層穩定性、氣候變化和空氣品質。

關於水蒸氣，研究主持人利維西說：「科學家們仍然不能完全理解控制平流層濕度的過程」。例如，在2000年，測量顯示平流層水蒸氣量減少了約10%，從而減緩了全球地表溫度上升約25%的速度。但是科學家仍然不能完全確定它為什麼減少。「由於平流層水蒸氣是一種溫室氣體，我們希望能夠很好地預測其未來的演化，」他說。「我們尚未完全理解所涉及的各種過程的相互作用，以及它們將如何在氣候變暖中演變。」MLS 資料有助於大氣模型，這些模型有助於這一研究領域。

MLS資料的最大驚喜之一是它觀察到一種現象，這種現象使得強大森林火災造成的污染，能夠滲透到平流層。火災是平流層氣溶膠的重要原因，因此有可能影響地表變暖。「MLS 使我們能夠追蹤全球的污染。我們以前不會猜到，一場森林火災就能做到這一點。」利維西說。

美國宇航局的三顆衛星同步觀測雷暴的垂直結構（低軌道）及其對冰雲（色澤）、水蒸氣（輪廓）和地球低層大氣（較高軌道）上方的污染物的影響。隨著MLS資料記錄接近15年，利維西說，他希望MLS能再持續幾年提供重要的科學。目前該儀器持續運行良好，其壽命的最大限制是光環衛星的燃料量，預測該衛星的燃料量應在2025年左右耗盡，該團隊正在考慮採用一種燃料密集程度較低的軌道維護戰略，這種戰略可以增加幾年的運營。衛星資料記錄越長，它就越有價值。