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)。對于臭氧這個大氣中的 “雙面人”，科學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，成為移動的 “大氣之眼”，在一個多小時的空中旅程中，畫出一條優(yōu)美的曲線。
5月6日中午12時許，我國科考隊的第十次探空氣球放飛實驗在珠峰大本營（海拔5200米）展開，標志著珠峰地區(qū)大氣臭氧垂直探空實驗的完成。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行有效的觀測?！?/span>
卞建春解釋說，因為在此高度空氣壓強太低，而現(xiàn)有的探空儀是利用抽氣泵抽進空氣進行測量的，在此高度不能正常抽進空氣，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行有效觀測。
“確實在更高的高度，由于氣壓很低，抽氣泵的能力有限，測量的誤差會更大一些”，參與本次科考的北京大學環(huán)境科學與工程學院院長朱彤說，但本次臭氧探空的科學目標包括了地面、對流層和平流層臭氧，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。對我們的健康，對我們的大氣氧化性研究都非常重要。”
科學家們對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，臭氧則是一個不折不扣的 “雙面人”，扮演著 “亦正亦邪” 的角色。“在天為佛，在地為魔”是它的標簽。
在常溫下臭氧是一種有特殊臭味的淺藍色氣體，因 “臭” 得名的它早年因為 “地球衛(wèi)士” 的形象深入人心。平流層臭氧損耗對地球上棲居的生物來說是相當危險的，最為經(jīng)典的平流層臭氧損耗問題當屬 “臭氧空洞”（圖2右）。
“臭氧空洞” 并非真的是一個洞，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歷史上的重大發(fā)現(xiàn)之一。1985年，英國南極調查局的三位大氣科學家利用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)很快就引起廣泛關注，激發(fā)了大氣臭氧化學的研究熱潮。
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，到達地表的UV-b增加，會對地表生物和環(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、損害有機體的DNA、引起胚胎畸形發(fā)育、改變花期等 [4]。
第二點，這是一個重大科學問題從發(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)和解釋是眾多科學家共同努力的結果（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鍵。1995年，三位因 “對大氣化學的研究工作，特別是臭氧的形成與分解” 分享了諾貝爾化學獎。
第三點是臭氧洞問題是科學影響政策的優(yōu)秀典范。平流層臭氧的相關科學研究（尤其是三位諾獎得主的工作）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)恢復的跡象，說明了人類對環(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，對流層內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)性有機化合物（VOCs）以及氮氧化物（NOx）在光照條件下通過光化學反應生成（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]。
由于臭氧具有強氧化性，人體吸入臭氧會引發(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。大量和空氣質量相關的流行病學研究說明了臭氧暴露與死亡率和發(fā)病率之間的關聯(lián)性 [18-19]。
上個世紀40年代洛杉磯光化學煙霧事件出現(xiàn)后，近地面臭氧污染問題開始逐漸進入人們的視野。研究逐步揭露，人為活動排放的揮發(fā)性有機物和機動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，只有北京大學等少量團隊在蘭州、北京、珠三角和華北平原開展了關于臭氧污染的特征和機理研究。近年來，隨著監(jiān)測網(wǎng)絡的全面覆蓋，近地面臭氧污染的特征和形成機制才逐漸清晰：中國臭氧污染特征通常在暖季（4-9月）的京津冀地區(qū)最為嚴重，而在一天之內通常在午后光照較強時達到日內峰值；污染的形成受到前體物排放、化學生成和消耗、氣象條件和區(qū)域輸送等因素的影響 [21-22]。
如前所述，已有科學結論的一步步形成，離不開完善的大氣組分觀測體系。目前，對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)星上的傳感器結合反演算法計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構。這也是遙感科學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” 的信息。對流層臭氧評估報告（TOAR）中總結了全球地面臭氧觀測的數(shù)據(jù)集 [24]；在中國，從2013年開始，全國空氣質量監(jiān)測網(wǎng)開始提供包括臭氧在內的大氣污染物數(shù)據(jù)。隨著大氣污染成因逐漸清晰，人們也意識到發(fā)展臭氧前體物如一些揮發(fā)性有機物的觀測網(wǎng)絡的重要性。此外，地基觀測也包括激光雷達等地面遙感觀測，可以獲取大氣組分的廓線信息。
而 “空” 指的是空基系統(tǒng)，一般包括飛機觀測和探空觀測，可以提供 “線” 的信息。臭氧的飛機觀測一般借助于商用民航機全球觀測系統(tǒng)（IAGOS）獲取飛機航線上的濃度數(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、大氣化學組分濃度等信息并將其通過無線電信號發(fā)回地面，其上升高度能達到30~40公里的平流層中上部，是人類研究大氣垂直結構的重要工具。
此次珠峰科考的臭氧探空項目就屬于探空觀測一類，中國科學院大氣所研究員高登義提及，此前科學家們發(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]。此次探空實驗對進一步驗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驗沒有本質差異，因為臭氧低谷是一個水平范圍很大廣的現(xiàn)象。但是對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不僅僅考驗科考人員，儀器設備也會因為散熱等多種原因出現(xiàn)故障，“由于珠峰大本營位于絨布河谷，探空氣球在上層強烈西風的帶動下，會向東漂移，無線信號會被河谷邊上的山體遮擋，導致信號丟失乃至最后失去信號”。
“也由于上述這些問題，臭氧探空是這次科考單次進行的項目，目前沒有考慮成為固定頻率的業(yè)務運行項目”，朱彤說。
卞建春指出，目前我國僅有5個站點（北京、重慶、南京、廣東清遠、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了它的使命。
但探索，不止于 “頂”。如何收集、維護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家們需要進一步考慮的。而如何更好地認識世界，理解人與自然的關系，是值得所有人思考的問題。
致 謝
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制版編輯 | 姜絲鴨
