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首都科学讲堂第670期《环境危机:从臭氧层空洞到全球变暖》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-11-08

  2020年11月7日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心副主任、副研究员魏科,为大家带来题为 《环境危机:从臭氧层空洞到全球变暖》的精彩讲座。

  

  环境危机:从臭氧层空洞到全球变暖

  过去100年的人类活动,将大量破坏臭氧层的物质和温室气体排入地球大气,导致了两个环境危机:臭氧层破坏和全球变暖。消除这两大环境危机的影响,则需要人类共同努力,可能花费上百年至上千年的时间。

  第一讲 臭氧层:生命的保护伞

  紫外线可分为UVA、UVB和UVC。紫外线中波长最长的UVA长期照射人类,极易使人的皮肤变黑、变老,起皱纹,黄皮肤的亚洲人对UVA更为敏感,所以美白须防晒。

  UVB是一个波长稍短,介于UVA和UVC之间的一种紫外线,这种紫外线长期照射人眼、人体,会导致白内障和皮肤癌的发生。白皮肤的欧洲人对UVB更为敏感。

  对人类危害最大的当属UVC了,它是波长最短的紫外线。食堂、公共场所杀菌的黑光灯,使用的光线就是UVC。长期照射黑光灯会导致失明和皮肤疱疹,严重的可能致人死亡。如果太阳光不受任何阻拦地照射在地球表面上,地球肯定是一个寸草不生、毫无生机的星球。

  幸运的是,地球上空约15千米-30千米内存在着臭氧层,这一区域是地球上空臭氧含量最多的区域,但这种“最多”只是相对的,如果以地球表面的大气压,将臭氧层中的全部臭氧压缩到地表上,臭氧的厚度只有3毫米。尽管如此,臭氧层仍然可以将最危险的UVC全部拦截在臭氧层外,同时还将90%以上的UVB和50%以上的UVA拦截在臭氧层外。

  保护着人类的臭氧层并非与地球同时诞生,科学家们的结论是:臭氧层出现在距今6亿年前。如果人类可以进行时间旅行,随心所欲地在时间中穿越,那么尽量不要穿越到臭氧层诞生前,因为6亿年前地球表面和浅海对于生物而言是非常危险的,如果非要穿越到6亿年前,建议穿越到绝大多数生物都隐藏的深海里面。

  臭氧层形成后,距今约5.41亿年的时候,发生了一件地球生命演化史上最关键的事情——寒武纪生命大爆发。寒武纪生命大爆发后,地球生命的演化进入了快车道。到了距今4亿年前的时候,地球上的生物就已经到达浅海,随后又从浅海到达地球表面,所以地球表面上生物的历史大概只有4亿年。此后,生命演化速度逐渐加快,各种两栖、爬行动物逐渐出现。

  在8万到10万年前,始于非洲的人类足迹渐渐遍布全球的各个角落,人类日渐繁盛起来。

  简略回顾一下地球的历史可以发现,地球上空的臭氧层保护伞是地球上生命存在和延续的基石,是地球宜居的一个重要条件。

  第二讲 修复臭氧层空洞需要多少年?

  人类头顶这把臭氧层保护伞,为人类和动植物免于紫外线的辐射提供了保护。

  但是,自从1903年人类确认臭氧层存在的那一刻,就开始了对它的破坏。人类发明制造的化学制剂,如制冷剂氟利昂、哈龙类物质。这些物质虽然在地球表面上很安全,但是大气环流将它们带入到紫外线辐射非常强的平流层之后,在紫外线的照射下,会分解产生氯原子和溴原子,而氯原子作为催化剂直接加速了臭氧的损耗。

  1984年,科学家首次在南极上空发现臭氧洞,这一发现旋即引起了广泛和极大的关注。

  臭氧洞面积最大的年份是2006年,科学家观测到臭氧洞的面积达到2700万平方千米,臭氧洞里臭氧损耗可达2/3以上,漏洞百出的臭氧层是无法保护地球生命安全的,所以臭氧洞引起了全球恐慌。

  臭氧洞的出现与大气环流有一定的关系,当北极上空出现速度超过每小时300千米的绕极环流时,它的中心会产生一个非常强的低温区域,低温区域易发生臭氧损耗现象,进而出现臭氧洞。

  1985年,全球通过保护臭氧层的《维也纳公约》。1987年通过了《蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书》,规定各国应一起保护臭氧层。从1989年1月1日开始,全球范围内停止生产销售和使用破坏臭氧层最严重的五种氟利昂物质和三种哈龙类物质。由资金、技术实力较雄厚的发达国家率先实施。

  与此同时,科学界每隔四年要做一次目前臭氧损耗情况的科学评估报告。最近一期评估报告发布于2018年,2018年臭氧的评估报告对过去近40年,全球应对臭氧的行动进行综合评估。结论是人类通过努力已经避免了一个最严重的环境危机的爆发,现阶段臭氧层正处于逐步恢复阶段。

  最新的评估认为,南极臭氧洞恢复到上世纪80年代水平至少要到2060年以后。我们可以想见臭氧彻底恢复是一个非常漫长的过程。

  第三讲 温室气体与宜居星球

  人类应对环境危机的实质就是保护地球的宜居性。地球是目前已知所有星球里最适合生命和人类居住的一个星球。地球距离太阳1.5亿千米,这一范围内温度适宜,可能存在液态水,是人类、其他生命和植物的宜居带。

  月球与太阳的距离跟地球与太阳的距离十分接近,为什么月球上没有出现旺盛的生命呢?

  首先,地球周围存在的强磁场能够保护地球上的生命免受太阳的强离子辐射。

  其次,地球上空的大气层、臭氧层能够确保地球的温度适宜人类、动、植物生存。地球上流动的海洋和大气可以重新分配热量,并将白昼与黑夜的温差控制在合适的范围内。

  尽管地球非常适宜人类和动植物生存,但是必须承认,人类社会的快速发展给宜居的地球带来了诸多挑战。

  2010年,多位诺贝尔奖获得者向联合国建议,将人类现在所处的时代称作“人类世”。目前“人类世”这个概念的确认已经进入最后阶段,预计未来一至两年内,联合国会正式宣布人类现在所处的时代为“人类世”。

  “人类世”时代里,最重要的是人类对地球的影响。人类大量使用化石燃料,因向大气中排放大量温室气体而导致地球温度飙升。科学家通过测量、计算100万年前南极冰芯里二氧化碳含量发现,在过去100万年漫长的地质时代里,大气中所含二氧化碳非常低,最高值从未超过300 ppm(ppm:百万分之一,表示二氧化碳含量的单位)。

  但是,在过去100年里,人类已经把大气中二氧化碳的含量从低于300ppm推高到了今年的超过410 ppm。这一数值是过去400万年里的最高数值。这就给人类带来了一个必须严肃应对的全球变暖危机。

  毋庸置疑,温室气体是地球的大被子,是地球的保护伞,但是现在这个“被子”太厚了,以至于全球温度在持续升高。

  资料显示,目前全球的温度比100年前高约1.1摄氏度。这一数值好像并不高,但是如果把它与过去一千年的同类数据进行比较,则会发现这1.1摄氏度是令人恐怖的,因为人类排放的二氧化碳还在持续增加,这就意味着全球的温度会持续升高,这成为人类目前面临的最大环境危机。

  第四讲 全球变暖危机:从100年前到1000年以后

  全球温度升高带来的最大影响是南、北两极冰盖,部分高原山地冰雪的快速融化与减少,导致海平面上升,极端气象事件频发。

  2020年9月的数据显示,全球北极海冰覆盖面积比历史正常值低40%。如果把南极和北极海冰在夏季的融化,以及在冬季的结冰看作是“地球的呼吸”,科学家普遍认为“地球的呼吸”不仅有些堵塞,且“呼吸量”越来越少了。

  2018年8月,在我国非常罕见地出现了台风三次“袭击”上海的极端气象事件。今年还出现了三个台风北移到东北的极端气象事件,台风袭击东北,是一种在全球变暖情况下出现的新情况。

  二氧化碳排放持续增加引起的全球变暖,将是今后300年至500年内大概率事件,随之而来的海平面上升可能要持续上百年到上千年的时间。

  为什么全球应对气侯变化的任务依然艰巨和紧迫呢?

  首先,为了把全球升温控制在安全的范围内,大气层可以承载的二氧化碳的总量是有限的,目前我们已经排放了总量的91%。按照目前的二氧化碳排放速度,未来十年,仅剩的9%余量将被用完。而现实是,人类依然没能有效遏制住温室气体大幅度排放的趋势。

  虽然形势非常严峻,时间异常紧迫,但并不表明人类没有机会。首先,技术进步为人类提供了机遇。过去十年,太阳能发电成本降低了82%。风力发电成本降低30%-40%。技术进步推动了能源领域发电成本的大幅降低,并使太阳能发电的成本与火力发电的成本基本持平。清洁能源替代化石能源的梦想正在变为现实。

  今年9月,联合国向全球发出了“团结在科学之下”的呼吁。希望全球都能够团结在科学之下,利用新能源开拓新的产业业态,替代传统的高耗能产业。

  我国也向全球作出了郑重承诺:力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,2060年前实现碳中和,即实现碳排放和碳吸收的平衡,不再额外向大气排放温室气体。

  如果全球都能够抓住新技术发展的黄金期,不仅能够实现产业升级,创造更多的商业奇迹,还可能化解掉危机。

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