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            首都科學講堂第670期《環境危機:從臭氧層空洞到全球變暖》

            信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-11-08

              2020年11月7日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了中國科學院大氣物理研究所季風系統研究中心副主任、副研究員魏科,為大家帶來題為 《環境危機:從臭氧層空洞到全球變暖》的精彩講座。

              

              環境危機:從臭氧層空洞到全球變暖

              過去100年的人類活動,將大量破壞臭氧層的物質和溫室氣體排入地球大氣,導致了兩個環境危機:臭氧層破壞和全球變暖。消除這兩大環境危機的影響,則需要人類共同努力,可能花費上百年至上千年的時間。

              第一講 臭氧層:生命的保護傘

              紫外線可分為UVA、UVB和UVC。紫外線中波長最長的UVA長期照射人類,極易使人的皮膚變黑、變老,起皺紋,黃皮膚的亞洲人對UVA更為敏感,所以美白須防曬。

              UVB是一個波長稍短,介于UVA和UVC之間的一種紫外線,這種紫外線長期照射人眼、人體,會導致白內障和皮膚癌的發生。白皮膚的歐洲人對UVB更為敏感。

              對人類危害最大的當屬UVC了,它是波長最短的紫外線。食堂、公共場所殺菌的黑光燈,使用的光線就是UVC。長期照射黑光燈會導致失明和皮膚皰疹,嚴重的可能致人死亡。如果太陽光不受任何阻攔地照射在地球表面上,地球肯定是一個寸草不生、毫無生機的星球。

              幸運的是,地球上空約15千米-30千米內存在著臭氧層,這一區域是地球上空臭氧含量最多的區域,但這種“最多”只是相對的,如果以地球表面的大氣壓,將臭氧層中的全部臭氧壓縮到地表上,臭氧的厚度只有3毫米。盡管如此,臭氧層仍然可以將最危險的UVC全部攔截在臭氧層外,同時還將90%以上的UVB和50%以上的UVA攔截在臭氧層外。

              保護著人類的臭氧層并非與地球同時誕生,科學家們的結論是:臭氧層出現在距今6億年前。如果人類可以進行時間旅行,隨心所欲地在時間中穿越,那么盡量不要穿越到臭氧層誕生前,因為6億年前地球表面和淺海對于生物而言是非常危險的,如果非要穿越到6億年前,建議穿越到絕大多數生物都隱藏的深海里面。

              臭氧層形成后,距今約5.41億年的時候,發生了一件地球生命演化史上最關鍵的事情——寒武紀生命大爆發。寒武紀生命大爆發后,地球生命的演化進入了快車道。到了距今4億年前的時候,地球上的生物就已經到達淺海,隨后又從淺海到達地球表面,所以地球表面上生物的歷史大概只有4億年。此后,生命演化速度逐漸加快,各種兩棲、爬行動物逐漸出現。

              在8萬到10萬年前,始于非洲的人類足跡漸漸遍布全球的各個角落,人類日漸繁盛起來。

              簡略回顧一下地球的歷史可以發現,地球上空的臭氧層保護傘是地球上生命存在和延續的基石,是地球宜居的一個重要條件。

              第二講 修復臭氧層空洞需要多少年?

              人類頭頂這把臭氧層保護傘,為人類和動植物免于紫外線的輻射提供了保護。

              但是,自從1903年人類確認臭氧層存在的那一刻,就開始了對它的破壞。人類發明制造的化學制劑,如制冷劑氟利昂、哈龍類物質。這些物質雖然在地球表面上很安全,但是大氣環流將它們帶入到紫外線輻射非常強的平流層之后,在紫外線的照射下,會分解產生氯原子和溴原子,而氯原子作為催化劑直接加速了臭氧的損耗。

              1984年,科學家首次在南極上空發現臭氧洞,這一發現旋即引起了廣泛和極大的關注。

              臭氧洞面積最大的年份是2006年,科學家觀測到臭氧洞的面積達到2700萬平方千米,臭氧洞里臭氧損耗可達2/3以上,漏洞百出的臭氧層是無法保護地球生命安全的,所以臭氧洞引起了全球恐慌。

              臭氧洞的出現與大氣環流有一定的關系,當北極上空出現速度超過每小時300千米的繞極環流時,它的中心會產生一個非常強的低溫區域,低溫區域易發生臭氧損耗現象,進而出現臭氧洞。

              1985年,全球通過保護臭氧層的《維也納公約》。1987年通過了《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》,規定各國應一起保護臭氧層。從1989年1月1日開始,全球范圍內停止生產銷售和使用破壞臭氧層最嚴重的五種氟利昂物質和三種哈龍類物質。由資金、技術實力較雄厚的發達國家率先實施。

              與此同時,科學界每隔四年要做一次目前臭氧損耗情況的科學評估報告。最近一期評估報告發布于2018年,2018年臭氧的評估報告對過去近40年,全球應對臭氧的行動進行綜合評估。結論是人類通過努力已經避免了一個最嚴重的環境危機的爆發,現階段臭氧層正處于逐步恢復階段。

              最新的評估認為,南極臭氧洞恢復到上世紀80年代水平至少要到2060年以后。我們可以想見臭氧徹底恢復是一個非常漫長的過程。

              第三講 溫室氣體與宜居星球

              人類應對環境危機的實質就是保護地球的宜居性。地球是目前已知所有星球里最適合生命和人類居住的一個星球。地球距離太陽1.5億千米,這一范圍內溫度適宜,可能存在液態水,是人類、其他生命和植物的宜居帶。

              月球與太陽的距離跟地球與太陽的距離十分接近,為什么月球上沒有出現旺盛的生命呢?

              首先,地球周圍存在的強磁場能夠保護地球上的生命免受太陽的強離子輻射。

              其次,地球上空的大氣層、臭氧層能夠確保地球的溫度適宜人類、動、植物生存。地球上流動的海洋和大氣可以重新分配熱量,并將白晝與黑夜的溫差控制在合適的范圍內。

              盡管地球非常適宜人類和動植物生存,但是必須承認,人類社會的快速發展給宜居的地球帶來了諸多挑戰。

              2010年,多位諾貝爾獎獲得者向聯合國建議,將人類現在所處的時代稱作“人類世”。目前“人類世”這個概念的確認已經進入最后階段,預計未來一至兩年內,聯合國會正式宣布人類現在所處的時代為“人類世”。

              “人類世”時代里,最重要的是人類對地球的影響。人類大量使用化石燃料,因向大氣中排放大量溫室氣體而導致地球溫度飆升。科學家通過測量、計算100萬年前南極冰芯里二氧化碳含量發現,在過去100萬年漫長的地質時代里,大氣中所含二氧化碳非常低,最高值從未超過300 ppm(ppm:百萬分之一,表示二氧化碳含量的單位)。

              但是,在過去100年里,人類已經把大氣中二氧化碳的含量從低于300ppm推高到了今年的超過410 ppm。這一數值是過去400萬年里的最高數值。這就給人類帶來了一個必須嚴肅應對的全球變暖危機。

              毋庸置疑,溫室氣體是地球的大被子,是地球的保護傘,但是現在這個“被子”太厚了,以至于全球溫度在持續升高。

              資料顯示,目前全球的溫度比100年前高約1.1攝氏度。這一數值好像并不高,但是如果把它與過去一千年的同類數據進行比較,則會發現這1.1攝氏度是令人恐怖的,因為人類排放的二氧化碳還在持續增加,這就意味著全球的溫度會持續升高,這成為人類目前面臨的最大環境危機。

              第四講 全球變暖危機:從100年前到1000年以后

              全球溫度升高帶來的最大影響是南、北兩極冰蓋,部分高原山地冰雪的快速融化與減少,導致海平面上升,極端氣象事件頻發。

              2020年9月的數據顯示,全球北極海冰覆蓋面積比歷史正常值低40%。如果把南極和北極海冰在夏季的融化,以及在冬季的結冰看作是“地球的呼吸”,科學家普遍認為“地球的呼吸”不僅有些堵塞,且“呼吸量”越來越少了。

              2018年8月,在我國非常罕見地出現了臺風三次“襲擊”上海的極端氣象事件。今年還出現了三個臺風北移到東北的極端氣象事件,臺風襲擊東北,是一種在全球變暖情況下出現的新情況。

              二氧化碳排放持續增加引起的全球變暖,將是今后300年至500年內大概率事件,隨之而來的海平面上升可能要持續上百年到上千年的時間。

              為什么全球應對氣侯變化的任務依然艱巨和緊迫呢?

              首先,為了把全球升溫控制在安全的范圍內,大氣層可以承載的二氧化碳的總量是有限的,目前我們已經排放了總量的91%。按照目前的二氧化碳排放速度,未來十年,僅剩的9%余量將被用完。而現實是,人類依然沒能有效遏制住溫室氣體大幅度排放的趨勢。

              雖然形勢非常嚴峻,時間異常緊迫,但并不表明人類沒有機會。首先,技術進步為人類提供了機遇。過去十年,太陽能發電成本降低了82%。風力發電成本降低30%-40%。技術進步推動了能源領域發電成本的大幅降低,并使太陽能發電的成本與火力發電的成本基本持平。清潔能源替代化石能源的夢想正在變為現實。

              今年9月,聯合國向全球發出了“團結在科學之下”的呼吁。希望全球都能夠團結在科學之下,利用新能源開拓新的產業業態,替代傳統的高耗能產業。

              我國也向全球作出了鄭重承諾:力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值,2060年前實現碳中和,即實現碳排放和碳吸收的平衡,不再額外向大氣排放溫室氣體。

              如果全球都能夠抓住新技術發展的黃金期,不僅能夠實現產業升級,創造更多的商業奇跡,還可能化解掉危機。

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