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未来的火山喷发将如何影响地球的臭氧层
2017 年 8 月 16 日
来源 哈佛大学工程与应用科学学院
下一次重大火山喷发可能会引发化学反应，严重破坏地球已经陷入困境的臭氧层。
大规模爆炸性喷发对臭氧层造成的破坏程度取决于复杂的大气化学，包括大气中人为排放的水平。哈佛大学和马里兰大学的研究人员使用复杂的化学模型，探索了臭氧层在本世纪余下时间和几种不同的温室气体排放情景中对大规模火山喷发的反应。该研究最近发表在《地球物理研究快报》上。
地球的平流层仍在从氯氟烃 (CFC) 和其他消耗臭氧层的化学物质的历史性释放中恢复过来。尽管 30 年前《蒙特利尔议定书》已逐步淘汰氟氯化碳，但大气中含氯分子的含量仍在升高。将大量二氧化硫注入平流层的爆炸性火山喷发促进了氯的化学转化，使其更具活性，从而破坏臭氧。
研究人员早就知道，当人类生产的 CFC 中的氯浓度很高时，火山爆发后会导致臭氧消耗。当 CFC 中的氯含量较低时，火山喷发实际上会增加臭氧层的厚度。但这种转变究竟何时发生——从消耗臭氧层的喷发到增加臭氧层厚度的喷发——长期以来一直不确定。先前的研究已经将过渡的窗口放在 2015 年到 2040 年之间。
哈佛大学的研究人员发现，尽管人造氟氯化碳的浓度下降，但火山爆发可能会导致臭氧消耗，直到 2070 年或更长时间。
“我们的模型结果表明，臭氧层对大型火山爆发的脆弱性可能会持续到 21 世纪后期，明显晚于之前的估计，”该研究的负责人、A. 保尔森工程与应用科学学院和化学与化学生物学系 哈佛大学约翰学院的项目科学家大卫威尔茅斯说。
那么，为什么这种转变发生得比以前想象的晚得多？
“先前的估计没有考虑卤素气体的某些天然来源，例如源自海洋浮游生物和微藻的寿命极短的溴碳，”主要作者和哈佛化学物理学博士候选人埃里克·克洛巴斯 (Eric Klobas) 说。
考虑到这些排放，可以微调从导致臭氧消耗的喷发到增加臭氧层厚度的喷发的时间。在人类排放的 CFC 浓度下降后，这些天然溴源在平流层下层变得尤为重要。
“我们发现，天然、寿命非常短的有机化合物中溴的浓度至关重要，”克洛巴斯 说。“即使来自这些来源的溴含量发生微小的、每万亿分之一的变化，也可能意味着 21 世纪后期火山爆发导致臭氧层消耗或臭氧层增强之间的差异。”
研究人员随后探索了 1991 年皮纳图博火山喷发规模的火山事件如何影响 2100 年的臭氧层。该团队模拟了四种不同的温室气体排放情景，该事件在 1991 年向平流层喷射了大约 2000 万吨二氧化硫，从非常乐观到通常被认为是最坏的情况。
该团队发现，对未来温室气体浓度最乐观的预测会导致火山爆发造成的臭氧消耗最大。相反，在温室气体排放量在整个 21 世纪继续快速增加的悲观情景中，皮纳图博火山大小的喷发实际上会导致臭氧略有增加。研究人员发现，在这种情况下，较冷的平流层温度和较高的甲烷含量会抑制重要的消耗臭氧层的化学反应。
但是，关键在于：上述所有情景都假设火山喷发只会将硫磺注入平流层，就像 1991 年菲律宾皮纳图博火山的喷发一样。如果火山喷发还将氯化氢 (HCl) 等含卤素化学物质注入平流层，结果可能会很糟糕。
“如果火山喷发中通常大量存在的火山卤素大量进入平流层——在任何温室气体排放情景中，在未来的任何时候——都可能导致平流层臭氧的严重损失，”说克洛巴斯。
在这种情况下，美国可能会看到臭氧层厚度长期显着减少——在模拟的最高卤素情景中减少 15% 到 25%。即使是保护地球表面免受破坏 DNA 的紫外线辐射的臭氧层厚度的小幅减少，也会对人类健康和地球上的其他生命产生不利影响。
“这些火山喷发是非常不寻常的事件，但历史记录证明了这种可能性确实存在，”威尔茅斯说。
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期刊信息：地球物理研究快报
由 哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院提供
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