麻省理工學(xué)院的化學(xué)家表明，澳大利亞的野火在 2020 年將臭氧空洞擴(kuò)大了 10%。

一場(chǎng)野火可以將煙霧泵入平流層，顆粒在平流層漂移一年多。麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸浮在那里時(shí)，這些粒子會(huì)引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，侵蝕保護(hù)地球免受太陽有害紫外線輻射的保護(hù)性臭氧層。

今天發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)研究重點(diǎn)關(guān)注澳大利亞東部“黑色夏季”大火產(chǎn)生的煙霧，這場(chǎng)大火從 2019 年 12 月持續(xù)到 2020 年 1 月。這場(chǎng)大火是該國(guó)有記錄以來破壞性的大火，燒毀了數(shù)千萬英畝的土地，向大氣中排放了超過 100 萬噸的煙霧。

麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新的化學(xué)反應(yīng)，澳大利亞野火產(chǎn)生的煙霧顆粒使臭氧消耗更加嚴(yán)重。通過引發(fā)這種反應(yīng)，大火可能導(dǎo)致南半球中緯度地區(qū)、澳大利亞、新西蘭以及非洲和南美洲部分地區(qū)的臭氧總量消耗 3-5%。

研究人員的模型還表明，大火對(duì)極地地區(qū)產(chǎn)生了影響，侵蝕了南極洲上空臭氧空洞的邊緣。到 2020 年底，澳大利亞野火產(chǎn)生的煙霧顆粒將南極臭氧空洞擴(kuò)大了 250 萬平方公里——與上一年相比，其面積增加了 10%。

目前尚不清楚野火會(huì)對(duì)臭氧恢復(fù)產(chǎn)生什么長(zhǎng)期影響。聯(lián)合國(guó)近報(bào)告說，由于國(guó)際社會(huì)為逐步淘汰消耗臭氧層化學(xué)品做出的持續(xù)努力，臭氧空洞和世界各地的臭氧消耗正在恢復(fù)軌道上。但麻省理工學(xué)院的研究表明，只要這些化學(xué)物質(zhì)持續(xù)存在于大氣中，大火就可能引發(fā)暫時(shí)耗盡臭氧的反應(yīng)。

“2020 年澳大利亞的大火確實(shí)為科學(xué)界敲響了警鐘，”麻省理工學(xué)院環(huán)境研究 Lee 和 Geraldine Martin 教授蘇珊·所羅門 (Susan Solomon) 說，她也是一位的氣候科學(xué)家，她首先發(fā)現(xiàn)了造成南極臭氧空洞的化學(xué)物質(zhì). “以前，野火的影響并未在 [臭氧恢復(fù)預(yù)測(cè)] 中考慮在內(nèi)。我認(rèn)為這種影響可能取決于隨著地球變暖，火災(zāi)是否變得更加頻繁和激烈?！?/span>

該研究由 Solomon 和麻省理工學(xué)院研究科學(xué)家 Kane Stone 以及來自中國(guó)廣州環(huán)境與氣候研究所的合作者領(lǐng)導(dǎo)；美國(guó)海洋和大氣管理局；美國(guó)大氣研究中心；和科羅拉多州立大學(xué)。

氯級(jí)聯(lián)

這項(xiàng)新研究擴(kuò)展了所羅門和她的同事在 2022 年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，他們?cè)谠撗芯恐?/span>確定了野火和臭氧消耗之間的化學(xué)聯(lián)系。研究人員發(fā)現(xiàn)，初由工廠以氯氟烴 (CFC) 形式排放的含氯化合物可以與火氣溶膠的表面發(fā)生反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，這種相互作用會(huì)引發(fā)化學(xué)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化氯——終的臭氧消耗分子。他們的結(jié)果表明，澳大利亞的野火可能通過這種新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)耗盡了臭氧。

“但這并不能解釋在平流層中觀察到的所有變化，”所羅門說。“有一大堆與氯有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)完全不正常?！?/span>

在這項(xiàng)新研究中，該團(tuán)隊(duì)仔細(xì)研究了澳大利亞野火過后平流層中分子的組成。他們梳理了三組獨(dú)立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，觀察到在火災(zāi)發(fā)生后的幾個(gè)月里，中緯度地區(qū)的鹽酸濃度顯著下降，而一氧化氯濃度則飆升。

隨著 CFC 隨著時(shí)間的推移自然分解，平流層中存在鹽酸 (HCl)。只要氯以 HCl 的形式結(jié)合，它就沒有機(jī)會(huì)破壞臭氧。但是，如果 HCl 分解，氯氣會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成消耗臭氧層的一氧化氯。

在極地地區(qū)，當(dāng) HCl 在約 155 開爾文的寒冷溫度下與云粒子表面相互作用時(shí)，它會(huì)分解。然而，這種反應(yīng)預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)生在中緯度地區(qū)，那里的溫度要高得多。

“事實(shí)上，中緯度地區(qū)的 HCl 下降了前所未有的數(shù)量，這對(duì)我來說是一種危險(xiǎn)信號(hào)，”所羅門說。

她想知道：如果 HCl 也能在更高的溫度下與煙霧顆粒相互作用，并以釋放氯氣的方式破壞臭氧，那會(huì)怎樣？如果這種反應(yīng)是可能的，它將解釋分子的不平衡和澳大利亞野火后觀察到的大部分臭氧消耗。

煙漂

所羅門和她的同事們翻閱了化學(xué)文獻(xiàn)，以了解哪種有機(jī)分子可以在較高溫度下與 HCl 發(fā)生反應(yīng)，從而將其分解。

“你瞧，我了解到 HCl 極易溶于各種有機(jī)物，”所羅門說。“它喜歡研究很多化合物?！?/span>

當(dāng)時(shí)的問題是，澳大利亞的野火是否釋放出任何可能引發(fā) HCl 分解和隨后的臭氧消耗的化合物。當(dāng)研究小組在火災(zāi)發(fā)生后的頭幾天觀察煙霧顆粒的成分時(shí)，情況并不清晰。

“我看著那些東西，舉起雙手心想，里面有這么多東西，我怎么才能弄明白呢？” 所羅門回憶道。“但后來我意識(shí)到實(shí)際上需要幾周時(shí)間才能看到 HCl 下降，所以你真的需要查看老化野火顆粒的數(shù)據(jù)?！?/span>

當(dāng)團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大搜索范圍時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒持續(xù)存在數(shù)月之久，在中緯度地區(qū)的平流層中循環(huán)，與 HCl 濃度下降的區(qū)域和時(shí)間相同。

“真正吸收大量 HCl 的是老化的煙霧顆粒，”所羅門說。“然后，令人驚訝的是，你會(huì)得到與在臭氧空洞中得到的相同反應(yīng)，但在中緯度地區(qū)，溫度要高得多?！?/span>

當(dāng)團(tuán)隊(duì)將這種新的化學(xué)反應(yīng)納入大氣化學(xué)模型并模擬澳大利亞野火的情況時(shí)，他們觀察到中緯度地區(qū)整個(gè)平流層的臭氧消耗了 5%，臭氧空洞擴(kuò)大了 10%南極洲。

與 HCl 的反應(yīng)可能是野火消耗臭氧層的主要途徑。但所羅門猜測(cè)，可能還有其他含氯化合物漂浮在平流層中，野火可能會(huì)解開這些化合物。

“現(xiàn)在有點(diǎn)像與時(shí)間賽跑，”所羅門說。“希望在火災(zāi)頻率隨著氣候變化而增加之前，含氯化合物將被銷毀。這更有理由對(duì)全球變暖和這些含氯化合物保持警惕。”

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)航空航天局和美國(guó)科學(xué)基金會(huì)的部分支持。