科学家在上对流层日益增多的臭氧中发现了人类“指纹”

臭氧可以成为好或坏的介质，这取决于你在大气中的哪个位置找到它。在平流层的高处，这种无色气体能保护地球免受太阳强烈紫外线的照射。但更靠近地面的地方，臭氧是一种有害的空气污染物，可能引发包括胸痛、呼吸困难和肺功能受损在内的长期健康问题。

而在中间某个地方，即在对流层上层——即平流层下方的大气层，大多数飞机在此巡航——臭氧作为强效温室气体有助于地球的变暖。

尽管许多国家努力减少地表臭氧来源，但迹象表明，对流层上层的臭氧仍在继续上升。现在，麻省理工学院的科学家证实，对流层上层臭氧的增加很可能是由人类活动造成的。

在今天发表在《环境科学与技术》杂志上的论文中，研究团队报告称，他们在从2005年开始的17年卫星记录中检测到了人类活动对上对流层臭氧趋势的明确影响信号。

“我们确认，由于人类活动而非气候噪声，北半球中纬度地区的上对流层臭氧有一个明确且不断上升的趋势，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生余欣元（Xinyuan Yu）说。

“现在，我们可以进行更多的侦查工作，并尝试了解哪些具体的人类活动导致了这种臭氧趋势，”该研究的合著者、地球、大气和行星科学系的Peter H. Stone和Paola Malanotte Stone教授阿琳·菲奥雷（Arlene Fiore）补充道。

该研究的麻省理工学院作者还包括塞巴斯蒂安·伊斯塔姆（Sebastian Eastham）和钱丹（Qindan Zhu），以及加州大学洛杉矶分校的本杰明·桑特（Benjamin Santer）、哥伦比亚大学的古斯塔沃·科雷亚（Gustavo Correa）、美国国家大气研究中心的让-弗朗索瓦·拉马尔克（Jean-François Lamarque）和美国宇航局戈达德太空飞行中心的杰拉德·齐迈克（Jerald Zimeke）。

臭氧的复杂网络

了解臭氧的成因和影响是一项具有挑战性的任务。臭氧不是直接排放的，而是“前体物”的产物——例如氮氧化物和挥发性有机化合物（VOCs）等起始成分，它们在阳光照射下反应形成臭氧。这些前体物由车辆尾气、发电厂、化学溶剂、工业过程、飞机排放和其他人为活动产生。

臭氧是否以及在大气中停留多久取决于一系列复杂变量，包括给定区域人类活动的类型和程度，以及自然气候的可变性。例如，强烈的厄尔尼诺年可能会以影响臭氧浓度的方式改变大气环流，而不论那一年人类向大气中贡献了多少臭氧。

特别是在对流层上层，区分臭氧趋势是由人为因素还是气候驱动的原因尤其棘手。使情况更加复杂的是，在对流层下层——即最接近地面的大气最低层——臭氧已经停止上升，甚至在过去几十年中，北半球中纬度的一些地区已经出现了下降。对流层下层臭氧的减少主要是由于北美和欧洲为减少工业空气污染源所做的努力。

“在地表附近，一些地区的臭氧已经减少，其变化与人类排放更密切相关，”余欣元指出。“在上对流层，臭氧趋势的监测较少，但与地表附近的趋势似乎脱节，且臭氧更容易受到气候可变性的影响。因此，我们不知道在上对流层观测到的臭氧增加中有多少是归因于人类。”

气候噪声中的人类信号

余欣元和菲奥雷想知道，人类活动直接导致的臭氧水平中的“指纹”是否足够强，能够在上对流层的卫星观测中被检测到。为了看到这样的信号，研究人员首先需要知道要寻找什么。

为此，他们研究了地球气候和大气化学的模拟。借鉴气候科学中的方法，他们认为，如果能够模拟近几十年内一系列可能的气候变化，所有这些变化都具有相同的人为臭氧前体物排放源，但每个变化都以略有不同的气候条件开始，那么这些情景之间的差异应该归因于气候噪声。由此推断，在模拟情景的平均值中出现的任何共同信号都应该归因于人为因素。这样的信号将是一个“指纹”，揭示人为造成的臭氧，研究团队可以在实际的卫星观测中寻找这一信号。”

本着这一策略，研究团队使用最先进的化学气候模型进行了模拟。他们运行了多个气候情景，每个情景都从1950年开始，一直持续到2014年。

通过模拟，研究团队在所有情景中都观察到了一个清晰且共通的信号，他们将其确定为人类活动的痕迹。随后，他们研究了来自NASA“Aura”卫星上多个仪器观测到的对流层臭氧产品。

“说实话，我原以为卫星数据会太过嘈杂，”菲奥雷承认。“我没想到这种模式会如此稳健。”

但他们使用的卫星观测数据却为他们提供了足够有力的依据。研究团队查阅了从2005年至2021年间卫星产品提供的上层对流层臭氧数据，发现他们确实能够观测到模拟中预测到的人为原因造成的臭氧信号。该信号在亚洲尤为明显，近几十年来，该地区工业活动显著增加，加之阳光充足、天气事件频发，使得包括臭氧及其前体物在内的污染物被抬升至上层对流层。

于和菲奥雷目前正试图找出导致上层对流层臭氧增加的具体人类活动。

“这种增长趋势源自哪里？是车辆发动机和发电厂燃烧化石燃料产生的近地表排放物吗？是飞行在上层对流层的飞机吗？是野火的影响吗？还是上述所有因素的结合？”菲奥雷说。“能够区分人为影响与自然气候变化，有助于制定应对气候变化和空气污染的策略。”