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为什么说平流层是人类生死攸关的“保护伞”

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本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:魏科,中国科学院大气物理所副研究员,题图来自:东方IC


“它给我们的启示是,未来如果我们要寻找一个宜居星球,那一定要考虑这个星球的大气是什么样的,它有没有平流层,平流层里面有没有臭氧层。”


平流层是什么?


平流层在哪里呢?大家抬头,越过天花板再往上看,大概10千米~50千米的范围叫作平流层。


平流层一般在我们能看到的所有云的上方,那块蓝色的地方。因为这里没有太多上升和下沉的气流运动,空气主要以水平流动为主,非常适合飞机飞行,所以我们把它称之为平流层。


平流层(stratosphere)的位置


平流层的大气没有太多上升运动和下沉运动,所以这里也没有太多的天气现象。可能有的朋友就会说,没什么太多现象,研究它还有什么用?


实际上,平流层跟我们的生活息息相关,尤其是位于20千米~30千米之间的臭氧层。有一些爱美人士对臭氧和臭氧相关的紫外线又爱又恨。


平流层的运动状况有一些很奇怪的特点。比如说,它大概有半年时间都是东风环流,另外半年大概是西风环流。所以,如果夏季你从北极的上空看,会看到一个顺时针环流;到了冬季,就会看到一个逆时针环流。


平流层的风速非常大,大到什么程度?比地球上所有台风和飓风的风速还要大。所以在冬季的时候,平流层有非常强的西风,会把全球最冷的空气禁锢在北极地区。


大家看前面这两幅图,冬季时平流层的涡旋形状和夏季时的不太一样,夏季很规则,冬季不大规则,动不动还会发生一些扭曲、变形。



而当发生扭曲、变形的时候,就代表着有低层的冷空气活动。所以,我将平流层比喻为“极端冷空气的发动机”。 


2016年的冬天非常冷,被称之为“霸王级寒潮”。如果在“霸王级寒潮”发生前一周或者前两周去观察平流层,就看到第三幅图这样的情景:整个极涡被扭曲变形,冷空气源源不断地喷涌而出。


2019年1月份的北美超级寒冷,感觉一下子进入了冰河时代。这是因为1月份,北极极涡的中心被分裂,一直偏到了北美的上空,所以才造成了北美的天气异常寒冷。所以,我将平流层比喻为“全球冷空气,尤其是极端冷空气的发动机”。



除此之外,平流层还给我们撑起了一把无处不在、无时不在的大伞。平流层还可以放大气候的变化。


地球上能接受到的最多的宇宙辐射就是太阳光。大家都觉得太阳光又温暖,又纯净,又明亮,实际上,太阳光里包含了很多人类肉眼看不见的光线,比如紫外线。



按照波长由长到短来划分,紫外线可以分为UVA、UVB和UVC,其中UVC是最危险的紫外线。在UVC的长期照射下,没有任何生命可以存活。


我们经常听到紫外线消毒灯、黑光灯,其实这种灯发出来的光线就是肉眼看不见的UVC,它可以用来消毒、杀菌。


UVB会带来什么影响呢?在UVB的长期照射之下,人容易得皮肤癌和白内障,每年全世界因皮肤癌而死亡和因白内障而失明的人都非常多。


至于UVA,很多爱美人士都非常痛恨它,因为在UVA的照射下,皮肤很容易变老、变黑、长皱纹,而变老首先就是从皮肤开始的。


好在人类非常幸运,因为头顶的平流层就像一把大伞,它无处不在、无时不在地保护着我们。


平流层隔绝UVC、UVB、UVA


位于20千米~30千米的臭氧层可以隔绝100%最危险的UVC,隔绝90%的UVB,隔绝50%的UVA。所以,能够到达地球表面的紫外线只是紫外线中的一小部分。


当然,还是有一部分紫外线会到达地球表面,我们怎么抵抗它们呢?我们有很多防晒产品,以护肤品为例,如果瓶身上标注着“PA+++”或者“PA++++”,这就说明产品中含有抵抗UVA的成分;如果瓶身上标注着“SPF30”或“SPF50+”等字样,就说明它能抵抗UVB的伤害


所以,所有的爱美人士应该全盘阻挡UVA和UVB。在购买相关产品时,一定要看看它是否有PA和SPF的双重保护。


臭氧层破坏引发的环境危机


大家是不是觉得头顶的臭氧层一直就在那儿?其实,如果考察地球的历史就会发现,臭氧层形成的时间并不是特别长,大概只有6亿年。


距今6亿年前,地球上空形成了一个浓度大概只有现在1/10的臭氧层,有了这个臭氧层之后,地球表面才变得安全起来。


可能有人会说,大概40亿年前地球上就有了生命,既然地球表面这么危险,那些生命都在哪里呢?在漫长的40亿年时间里,所有的生命都匍匐在深海里,因为海洋表面和地球表面太危险了。


所以如果你能穿越,一不小心穿越到8亿年前的话,你看到的地球表面一定是光秃秃的,没有鸟语花香,没有飞禽走兽,紫外线毫无遮拦地照射在地球表面。


当臭氧层在约6亿年前形成之后,地球表面才开始变得安全起来。这时期的地球发生了一件波澜壮阔的事情——“寒武纪大爆发”。



大概5.4亿年前,地球上突然涌现了各种各样的生物。原来生活在深海里的生物,因为活动空间受限,所能获得的能量也非常有限。而现在,海洋表面和陆地都变得安全起来,这一下就开拓了生命进化的领域。


所有的生命从深海到浅海,然后从浅海到陆地。所以我们才说,陆地上的生命只有约4亿年的历史。相比地球46亿年漫长的历史,人类真的非常幸运,我们没有长期潜伏在黑暗里。


进入寒武纪生命大爆发之后,地球上的生命种类开始急剧增加,出现了各种各样的大型动物,比如恐龙。恐龙称霸地球的时间曾长达1.6亿年,正是在陆地变得安全之后,它才有了生存的空间。


在地球漫长的历史中,人类不过占据了一瞬间,却很幸运地走到了今天。而如果没有头顶那把“保护伞”,我想所有的生命一定会非常简单,一定还是要继续隐藏在深海里。



所以,如果我们要去寻找一个宜居星球,首先就要考虑它有没有水;其次,它有没有合适的大气层;再次,它的大气层里有没有臭氧层。


可惜自从发现了平流层和臭氧层,人类就经常做一些破坏性的事情。人类在1902年发现了平流层,1913年发现了臭氧层,后来就开始发明各种化合物,把它们输送到平流层里去,经过大气环流后开始破坏臭氧层。这些化合物是什么?主要是氟利昂。


破坏臭氧层的各种化合物


比如,往冰箱里面加氟,空调里面加氟;老式灭火器里面喷出来的那种泡沫;做头发造型用的发胶,这些物质都是破坏臭氧层的物质。


1984年,科学家们在南极发现了巨大的臭氧洞,这个臭氧洞有多大呢?2000年,它的面积约为2700万平方千米;2018年,它的面积约为2300万平方千米。当然这个臭氧洞并不是一个真正的洞,只是说它的臭氧密度值比正常的要小很多,像一个洞一样。


南极臭氧洞的变化


正常的臭氧密度应该是300个多布森单位,可是在1994年的时候,南极臭氧洞的中心数值最小只有92个多布森单位,即使到2018年,它的数值也只有112个多布森单位,仅相当于正常值的1/3。一把破了2/3的伞,我们却希望它给我们提供足够的保护,这显然不现实。


南极臭氧洞的中心数值变化


20世纪80年代,臭氧洞被发现引起了全球严重的恐慌。臭氧是全球所有生物生存下去的基础,现在却遭到了严重破坏。



所以从20世纪80年代开始,所有的科学家和政治学家都开始参与讨论,所有国家都开始参与行动,大家签署了一些公约和议定书,其中就包括1985年的《保护臭氧层维也纳公约》,以及1987年在加拿大东部城市蒙特利尔签订的《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》(以下简称议定书或《蒙特利尔议定书》)


这个议定书决定从1989年1月1日开始停止生产、销售和使用危害臭氧层的最严重的5种氟利昂物质和3种哈龙物质。


现在,冰箱和空调里加的氟利昂,喷的发胶,墙壁隔热层里的泡沫材料等,都已经被完全替换成了不破坏臭氧层的新材料。


从1989年到现在,整整30年了,我们避免了一个最坏的结果。如果没有这30年全世界的共同努力,臭氧洞将越来越大;而经过这30年的努力,臭氧洞已经被控制在没有继续恶化的程度。现在基本上已经进入到我们称之为触底反弹的阶段,正在慢慢恢复。


1980-2025年 臭氧层的变化


当然,病来如山倒,病去如抽丝。臭氧洞大概要到2060年才能恢复到20世纪80年代的水平,到2100年才能恢复到20世纪60年代的水平。


大家可以想一想,臭氧洞完全恢复的时候,你多大年龄?所以,在座的所有人今生都生活在一个故事里,这个故事叫作“恢复重建”。


当然了,对于臭氧洞危机的应对也体现了人类还是可以团结一致做一些事情的。我们人类是有责任的,有担当的。联合国前秘书长科菲·安南先生称:“我们签订的《蒙特利尔议定书》是迄今为止最成功的国际协议。”



成功到什么程度?联合国下属的196个会员国和地区(截止到2011年,联合国共有193个会员国,两个观察国,连同欧盟)全部加入了这个议定书,并且认真执行了议定书的决议,停止生产、销售和使用所有破坏臭氧层的物质。


这是一个非常成功的进展。这也启迪我们,面对未来的环境危机,人类还是可以有所作为的。


平流层是气候变化的放大器


平流层不仅跟臭氧变化有关系,而且还会放大各种自然过程的影响。比如说,我们最近做了一些疯狂的实验,模拟在臭氧恢复的过程中(比如2050年或2100年),突然发生了一次历史上从来没有过的超级火山爆发。



模拟实验告诉我们,如果真的发生了这样的火山爆发,那么臭氧的损耗依然会达到一个非常严峻的程度。所以,我们目前必须要加快臭氧恢复的进程。


超级火山爆发会不会影响整个全球的气候变化呢?其实这样的事情在地球上曾经发生过。印度尼西亚有一个叫多巴的火山,它现在是一个湖,但历史上它是一个火山口,南北长100千米,东西宽35千米,一个巨大无比的火山口。



大约7.4万年前,多巴火山发生了非常强大的喷发,火山灰被喷射到了平流层,因为平流层里的大气是水平运动的,所以火山灰弥漫到了整个平流层里面,阻挡住了太阳的辐射,造成地球表面的巨幅降温。



科学家们对这次火山爆发有不同的看法,但是所有人都同意,这次火山爆发给当时的物种发展造成了非常坏的影响。比如说,它将人口数量降到了只有1万~3万,基本上把人类逼到了灭绝的边缘。


现在很多科学家还用这次灾害来解释为什么人类的基因比较单一,包括很多动物和植物的基因比较单一,因为很多动植物都在这次灾害中灭绝了。


当然,超级火山爆发的频率很低,可能好几万年甚至几十万年、上千万年才能发生一次,但强度稍小一点的火山爆发破坏力也很大。


1815年印度尼西亚的坦博拉火山发生了爆发,那次火山爆发的强度是七级。


火山爆发之后,火山灰以及各种硫酸盐被喷射到了平流层,随着平流层的水平风,这些物质弥漫到了全球,阻挡了太阳的辐射。因为平流层里有很多小颗粒,它们会散射太阳光,所以很长一段时间,天空都是红色的。


在大家的常识里,一般刮风下雨后,天会变成蓝色;但在那段时间,即便刮完风下完雨,天空依然是红色的。英国风景画家Turner曾画了两幅画,一幅是火山爆发前的景象,一幅是火山爆发后的景象。



从中我们能够鲜明地感受到,火山爆发后的红色天空是那么狰狞。这次火山爆发发生在印度尼西亚,但火山灰弥漫到了全球,影响了全球的气候。


再比如1816年,全球很多地方都非常冷。冷到什么程度?根据新闻记载,6月6日的纽约还在下雪,7月宾夕法尼亚的湖里面还有冰块,夏天还没来,秋天就来了。



那一年整个欧美的粮食都减产了,欧洲大饥荒一共造成20多万人死亡。如果大家对中国历史感兴趣,可以去查一查相关资料,1816年安徽和江苏的很多地方都有夏天飘雪的记载。


所以,平流层的影响可以放大整个气候的过程,把局地过程变成全球的气候过程。


全球可能出现的气候过程还有什么?核冬天。



如果发生全球性核战争,可能就会引起核冬天。核冬天的意思就是,核武器会让易燃物燃烧产生的黑烟(黑碳)被喷射到平流层,然后弥漫到全球,阻挡太阳辐射,引起地面降温,使地表呈现严寒如冬的天气。


当然了,这个理论在20世纪80年代提出后,对全球产生了非常大的影响。现在和平的力量非常强,已经不可能发生非常大的核战争,但是一些小的核战争的风险依然存在。


所以科学家们又做了一个疯狂的实验:模拟一场小型核战争。比如印度和巴基斯坦两国因为某种原因发动了战争,印度投了50枚核弹头,巴基斯坦也投了50枚核弹头,100枚核弹头引起100场大火,100座城市因此毁于一旦。



当然,如果美国和苏联两国发动战争,那么这一模拟战争的规模就小多了。模拟实验中的核弹头都很小,只有1.5万吨TNT当量,相当于“二战”时美国投到日本广岛的原子弹“小男孩”的当量。


但即便是实验中模拟的小型核战争,也会向全球注入大概500万吨的黑碳。它们进入平流层之后,会在半年之内迅速弥漫整个平流层,从南极到北极,阻挡太阳辐射。



因为平流层里的大气以水平运动为主,空气很稳定,所以即使10年以后,大气里大概还会有110万吨的黑碳,它会造成全球性的气候影响,最主要的体现就是会影响农业。


科学家们模拟的结果显示,没有参与战争的美国和中国的农业也会受到严重影响:在战争爆发的第一个5年里,中国的冬小麦减产可能会达到40%,春小麦减产大概会达到35%;美国的玉米减产大概达到20%。



第二个5年里,美国的玉米和大豆的减产大概是10%;中国的粮食减产大概是15%~25%。


很多研究国际政治的人应该知道,农作物如果减产到这种程度,一定带来的是全球粮食危机,物价飞涨,这对穷人的影响是最大的。


如果战争规模再大一点,变成1000枚核弹头呢?全球现在有10000多枚,最多的时候有70000多枚核弹头。


如果有1000枚核弹头爆炸,大概会有5000万吨的黑碳被喷射到平流层,全球气温将降低3℃左右;如果爆炸的核弹头数量增加到3000枚,全球气温将降低7℃左右。


核弹头爆炸对全球气温产生的影响


现在全球的平均气温是15℃,如果降低7℃,那就直接从15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一个真真实实的核冬天就会来临。所以,我们头顶的平流层对我们非常重要,它可以放大各种或人为或自然过程造成的气候影响。


总结起来,平流层是全球极端冷空气的发动机。同时,它提供给我们一把无处不在、无时不在的遮阳伞,使地球变得更为宜居。


它给我们的启示是,未来如果我们要寻找一个宜居星球,那一定要考虑这个星球的大气是什么样的,它有没有平流层,平流层里面有没有臭氧层。



平流层也促使其他学科去思考,在地球漫长的历史中,各种沧海桑田的变化,各种古气候的变化,各种生物的诞生和大灭绝,平流层是不是都起到了很重要的放大作用。


听完我的讲解,大家出门抬头看天的时候,在云彩之上的层次,希望大家有更多的思考。


本文来自微信公众号:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:魏科,中国科学院大气物理所副研究员

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