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

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

今天發(fā)表在《自然》雜志上的這項研究重點關注澳大利亞東部“黑色夏季”大火產(chǎn)生的煙霧，這場大火從 2019 年 12 月持續(xù)到 2020 年 1 月。這場大火是該國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。

麻省理工學院的團隊發(fā)現(xiàn)了一種新的化學反應，澳大利亞野火產(chǎn)生的煙霧顆粒使臭氧消耗更加嚴重。通過引發(fā)這種反應，大火可能導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對臭氧恢復產(chǎn)生什么長期影響。聯(lián)合國近報告說，由于國際社會為逐步淘汰消耗臭氧層化學品做出的持續(xù)努力，臭氧空洞和世界各地的臭氧消耗正在恢復軌道上。但麻省理工學院的研究表明，只要這些化學物質(zhì)持續(xù)存在于大氣中，大火就可能引發(fā)暫時耗盡臭氧的反應。

“2020 年澳大利亞的大火確實為科學界敲響了警鐘，”麻省理工學院環(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家，她首先發(fā)現(xiàn)了造成南極臭氧空洞的化學物質(zhì). “以前，野火的影響并未在 [臭氧恢復預測] 中考慮在內(nèi)。我認為這種影響可能取決于隨著地球變暖，火災是否變得更加頻繁和激烈?！?/span>

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

氯級聯(lián)

這項新研究擴展了所羅門和她的同事在 2022 年的一項發(fā)現(xiàn)，他們在該研究中確定了野火和臭氧消耗之間的化學聯(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。他們發(fā)現(xiàn)，這種相互作用會引發(fā)化學級聯(lián)反應，產(chǎn)生一氧化氯——終的臭氧消耗分子。他們的結果表明，澳大利亞的野火可能通過這種新發(fā)現(xiàn)的化學反應耗盡了臭氧。

“但這并不能解釋在平流層中觀察到的所有變化，”所羅門說。“有一大堆與氯有關的化學反應完全不正常。”

在這項新研究中，該團隊仔細研究了澳大利亞野火過后平流層中分子的組成。他們梳理了三組獨立的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，觀察到在火災發(fā)生后的幾個月里，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 的形式結合，它就沒有機會破壞臭氧。但是，如果 HCl 分解，氯氣會與氧氣發(fā)生反應，形成消耗臭氧層的一氧化氯。

在極地地區(qū)，當 HCl 在約 155 開爾文的寒冷溫度下與云粒子表面相互作用時，它會分解。然而，這種反應預計不會發(fā)生在中緯度地區(qū)，那里的溫度要高得多。

“事實上，中緯度地區(qū)的 HCl 下降了前所未有的數(shù)量，這對我來說是一種危險信號，”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，那會怎樣？如果這種反應是可能的，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文獻，以了解哪種有機分子可以在較高溫度下與 HCl 發(fā)生反應，從而將其分解。

“你瞧，我了解到 HCl 極易溶于各種有機物，”所羅門說。“它喜歡研究很多化合物。”

當時的問題是，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。當研究小組在火災發(fā)生后的頭幾天觀察煙霧顆粒的成分時，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。“但后來我意識到實際上需要幾周時間才能看到 HCl 下降，所以你真的需要查看老化野火顆粒的數(shù)據(jù)?！?/span>

當團隊擴大搜索范圍時，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，你會得到與在臭氧空洞中得到的相同反應，但在中緯度地區(qū)，溫度要高得多?！?/span>

當團隊將這種新的化學反應納入大氣化學模型并模擬澳大利亞野火的情況時，他們觀察到中緯度地區(qū)整個平流層的臭氧消耗了 5%，臭氧空洞擴大了 10%南極洲。

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

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

這項研究得到了美國航空航天局和美國科學基金會的部分支持。