珠峰上放飛的氣球，如何研究 “雙面人” 臭氧？
臭氧研究還有哪些挑戰(zhàn)？| 圖源：pixabay.com
近日，我國科考隊(duì)員在珠峰大本營首次釋放了自主研發(fā)的臭氧探空氣球，獲取了從地面至幾萬米高空的臭氧濃度信息，為解密青藏高原如何影響大氣自凈能力積累了首批珍貴數(shù)據(jù)。對(duì)于臭氧這個(gè)大氣中的 “雙面人”，科學(xué)家們的研究可謂歷史悠久，但依然面臨重要挑戰(zhàn)。
撰文 | 姜中景
責(zé)編 | 馮灝
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充滿氦氣的探空氣球從地面飄向高空，成為移動(dòng)的 “大氣之眼”，在一個(gè)多小時(shí)的空中旅程中，畫出一條優(yōu)美的曲線。
5月6日中午12時(shí)許，我國科考隊(duì)的第十次探空氣球放飛實(shí)驗(yàn)在珠峰大本營（海拔5200米）展開，標(biāo)志著珠峰地區(qū)大氣臭氧垂直探空實(shí)驗(yàn)的完成。探空氣球在38.2公里的高度位置停止升空，此前，它曾飛升至海拔高度39.1公里的位置。
對(duì)于這一高度，中科院大氣所研究員卞建春表示，“盡管探空氣球可以升至海拔38或39公里高空，但是現(xiàn)有臭氧探空儀在此高度并不能進(jìn)行有效的觀測。”
卞建春解釋說，因?yàn)樵诖烁叨瓤諝鈮簭?qiáng)太低，而現(xiàn)有的探空儀是利用抽氣泵抽進(jìn)空氣進(jìn)行測量的，在此高度不能正常抽進(jìn)空氣，故而不能正常觀測。一般來說，現(xiàn)有臭氧探空儀在36-37公里以上的高度都不能正常進(jìn)行有效觀測。
“確實(shí)在更高的高度，由于氣壓很低，抽氣泵的能力有限，測量的誤差會(huì)更大一些”，參與本次科考的北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長朱彤說，但本次臭氧探空的科學(xué)目標(biāo)包括了地面、對(duì)流層和平流層臭氧，氣球升至那么高的海拔高度是為了觀測完整的臭氧濃度分布。
“通過臭氧探空，可以知道臭氧在地面到高空之間的一個(gè)分布。我們可以知道地面生成有多少，以及上面從平流層傳送到地面有多少。對(duì)我們的健康，對(duì)我們的大氣氧化性研究都非常重要。”
科學(xué)家們對(duì)臭氧的研究由來已久?，F(xiàn)在研究大氣臭氧還有何意義？為什么要知道地面生成多少，高空又有幾何？我們不妨跟隨著升空的氣球一起，俯瞰大氣臭氧的研究進(jìn)程。
在武俠世界里，人們總是說 “正邪不兩立”，而在大氣世界中，臭氧則是一個(gè)不折不扣的 “雙面人”，扮演著 “亦正亦邪” 的角色?！霸谔鞛榉?，在地為魔”是它的標(biāo)簽。
在常溫下臭氧是一種有特殊臭味的淺藍(lán)色氣體，因 “臭” 得名的它早年因?yàn)?“地球衛(wèi)士” 的形象深入人心。平流層臭氧損耗對(duì)地球上棲居的生物來說是相當(dāng)危險(xiǎn)的，最為經(jīng)典的平流層臭氧損耗問題當(dāng)屬 “臭氧空洞”（圖2右）。
“臭氧空洞” 并非真的是一個(gè)洞，它表示的是平流層出現(xiàn)的臭氧濃度異常偏低的情況（圖3左），通常以臭氧柱濃度220DU（Dobson Unit，臭氧度量單位）作為判斷閾值。
南極臭氧洞是大氣科學(xué)歷史上的重大發(fā)現(xiàn)之一。1985年，英國南極調(diào)查局的三位大氣科學(xué)家利用1957-1984年南極哈利站的觀測資料，在《自然》雜志發(fā)表文章稱，自1970年代末以來，南極春季大氣臭氧總量急劇減少 [3]。這一發(fā)現(xiàn)很快就引起廣泛關(guān)注，激發(fā)了大氣臭氧化學(xué)的研究熱潮。
臭氧洞問題之所以成為經(jīng)典，有幾方面的原因。
一是問題本身的重要性。臭氧層好似一個(gè)過濾器，能夠吸收幾乎全部的UV-c和80%的UV-b（圖3），如果平流層臭氧過低，到達(dá)地表的UV-b增加，會(huì)對(duì)地表生物和環(huán)境造成很大威脅，包括灼傷人體皮膚和植物表皮、引起皮膚癌、損害有機(jī)體的DNA、引起胚胎畸形發(fā)育、改變花期等 [4]。
第二點(diǎn)，這是一個(gè)重大科學(xué)問題從發(fā)現(xiàn)到解釋再到解決的經(jīng)典案例。臭氧洞問題的發(fā)現(xiàn)和解釋是眾多科學(xué)家共同努力的結(jié)果（圖4），其中最引人注目的是馬里奧·莫利納、弗蘭克·舍伍德·羅蘭和保羅·克魯岑。他們的工作 [6,9] 重點(diǎn)說明了人類在臭氧洞生成中的影響，也指出了人類可控制的、解決臭氧洞問題的關(guān)鍵。1995年，三位因 “對(duì)大氣化學(xué)的研究工作，特別是臭氧的形成與分解” 分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
第三點(diǎn)是臭氧洞問題是科學(xué)影響政策的優(yōu)秀典范。平流層臭氧的相關(guān)科學(xué)研究（尤其是三位諾獎(jiǎng)得主的工作）促成了1987年《蒙特利爾議定書》的簽訂。該國際公約要求締約方轉(zhuǎn)變工業(yè)生產(chǎn)方式，限制氟氯碳化合物（CFCs）的排放。該《議定書》也被推為最成功的多邊環(huán)境協(xié)定之一 [12]，近十幾年，臭氧洞已出現(xiàn)恢復(fù)的跡象，說明了人類對(duì)環(huán)境的破壞可以通過自身的努力改變，也為人類改善環(huán)境污染問題帶來了信心。
平流層臭氧洞的問題逐漸緩解，對(duì)流層內(nèi)的臭氧問題卻日益浮現(xiàn)。
在近地面，臭氧是重要的大氣污染物。對(duì)流層下部和近地面的臭氧主要由一氧化碳（CO）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）以及氮氧化物（NOx）在光照條件下通過光化學(xué)反應(yīng)生成（圖5）。臭氧具有植物毒性，可能使植物生長減緩、種子產(chǎn)量減少、功能葉面積減少、葉片提前衰老等 [16]；還可能造成物種多樣性降低、宜居性改變、水循環(huán)和營養(yǎng)素循環(huán)發(fā)生變化等 [17]。
由于臭氧具有強(qiáng)氧化性，人體吸入臭氧會(huì)引發(fā)呼吸道疾病，包括引起咳嗽、喉嚨痛或發(fā)癢，使人呼吸困難或深呼吸引起疼痛，增加肺部易感程度，加重肺部疾病等。大量和空氣質(zhì)量相關(guān)的流行病學(xué)研究說明了臭氧暴露與死亡率和發(fā)病率之間的關(guān)聯(lián)性 [18-19]。
上個(gè)世紀(jì)40年代洛杉磯光化學(xué)煙霧事件出現(xiàn)后，近地面臭氧污染問題開始逐漸進(jìn)入人們的視野。研究逐步揭露，人為活動(dòng)排放的揮發(fā)性有機(jī)物和機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物為近地面臭氧生成提供了大量前體物 [20]。
在中國，2010年以前臭氧及其前體物的觀測十分缺乏，只有北京大學(xué)等少量團(tuán)隊(duì)在蘭州、北京、珠三角和華北平原開展了關(guān)于臭氧污染的特征和機(jī)理研究。近年來，隨著監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，近地面臭氧污染的特征和形成機(jī)制才逐漸清晰：中國臭氧污染特征通常在暖季（4-9月）的京津冀地區(qū)最為嚴(yán)重，而在一天之內(nèi)通常在午后光照較強(qiáng)時(shí)達(dá)到日內(nèi)峰值；污染的形成受到前體物排放、化學(xué)生成和消耗、氣象條件和區(qū)域輸送等因素的影響 [21-22]。
如前所述，已有科學(xué)結(jié)論的一步步形成，離不開完善的大氣組分觀測體系。目前，對(duì)于大氣臭氧以及其他地球空間信息的獲取，主要發(fā)展的是 “天地空” 一體化監(jiān)測（圖6）。
“天” 指天基系統(tǒng)，一般為衛(wèi)星觀測，利用搭載在衛(wèi)星上的傳感器結(jié)合反演算法計(jì)算出大氣臭氧柱濃度。衛(wèi)星觀測的優(yōu)勢在于能夠覆蓋較大空間范圍，提供較為完整的 “面” 的信息。而目前衛(wèi)星觀測大部分只能夠獲取臭氧柱濃度，無法給出臭氧的垂直結(jié)構(gòu)。這也是遙感科學(xué)家和工程師正在努力攻克的難題。
“地” 指的是地基系統(tǒng)，常見的為地面原位觀測，表現(xiàn)為 “點(diǎn)” 的信息。對(duì)流層臭氧評(píng)估報(bào)告（TOAR）中總結(jié)了全球地面臭氧觀測的數(shù)據(jù)集 [24]；在中國，從2013年開始，全國空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)開始提供包括臭氧在內(nèi)的大氣污染物數(shù)據(jù)。隨著大氣污染成因逐漸清晰，人們也意識(shí)到發(fā)展臭氧前體物如一些揮發(fā)性有機(jī)物的觀測網(wǎng)絡(luò)的重要性。此外，地基觀測也包括激光雷達(dá)等地面遙感觀測，可以獲取大氣組分的廓線信息。
而 “空” 指的是空基系統(tǒng)，一般包括飛機(jī)觀測和探空觀測，可以提供 “線” 的信息。臭氧的飛機(jī)觀測一般借助于商用民航機(jī)全球觀測系統(tǒng)（IAGOS）獲取飛機(jī)航線上的濃度數(shù)據(jù) [25]。而探空觀測通常是借助探空氣球來完成，探空氣球攜帶探空儀器升空，在上升過程中測定不同高度和經(jīng)緯度的溫度、氣壓、空氣濕度、大氣化學(xué)組分濃度等信息并將其通過無線電信號(hào)發(fā)回地面，其上升高度能達(dá)到30~40公里的平流層中上部，是人類研究大氣垂直結(jié)構(gòu)的重要工具。
此次珠峰科考的臭氧探空項(xiàng)目就屬于探空觀測一類，中國科學(xué)院大氣所研究員高登義提及，此前科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在青藏高原上空也出現(xiàn)了臭氧低值中心（或稱之為臭氧低谷）[26]，而其成因與南極臭氧洞不盡相同 [27]。此次探空實(shí)驗(yàn)對(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證青藏高原臭氧低谷的成因也有重要意義 [28]。
卞建春解釋說，“對(duì)于青藏高原臭氧低谷的研究，在珠峰或拉薩開展臭氧探空探測實(shí)驗(yàn)沒有本質(zhì)差異，因?yàn)槌粞醯凸仁且粋€(gè)水平范圍很大廣的現(xiàn)象。但是對(duì)于研究特殊地形條件下地面臭氧濃度，在珠峰與拉薩是有差異的?！?/span>
據(jù)朱彤介紹，此次巔峰科考在人員、物資（氦氣）、電力等方面都需要額外的努力和安排，高海拔帶來的高原反應(yīng)不僅僅考驗(yàn)科考人員，儀器設(shè)備也會(huì)因?yàn)樯岬榷喾N原因出現(xiàn)故障，“由于珠峰大本營位于絨布河谷，探空氣球在上層強(qiáng)烈西風(fēng)的帶動(dòng)下，會(huì)向東漂移，無線信號(hào)會(huì)被河谷邊上的山體遮擋，導(dǎo)致信號(hào)丟失乃至最后失去信號(hào)”。
“也由于上述這些問題，臭氧探空是這次科考單次進(jìn)行的項(xiàng)目，目前沒有考慮成為固定頻率的業(yè)務(wù)運(yùn)行項(xiàng)目”，朱彤說。
卞建春指出，目前我國僅有5個(gè)站點(diǎn)（北京、重慶、南京、廣東清遠(yuǎn)、福建邵武）開展常態(tài)化的臭氧探空觀測，都分布在中東部。
此次珠峰科考的沖頂任務(wù)已然完成，放飛的探空氣球也隨著高度升高，外界氣壓不斷降低，在平流層爆炸而終結(jié)了它的使命。
但探索，不止于 “頂”。如何收集、維護(hù)和使用好這些珍貴的數(shù)據(jù)，讓世界第三極的 “大氣之眼” 發(fā)揮最大的效用，是氣象工作者和科學(xué)家們需要進(jìn)一步考慮的。而如何更好地認(rèn)識(shí)世界，理解人與自然的關(guān)系，是值得所有人思考的問題。
致 謝
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制版編輯 | 姜絲鴨
