※ [本文转录自 TY_Research 看板 #1ESB6Jti ] 作者: dsilver (细数远星永唱泉水) 看板: TY_Research 标题: [故事] 天空破洞的故事 主文 时间: Wed Sep 14 21:52:16 2011 本文一共320行 我不是在写论文 我只是想写「故事」 这些东西大家应该都学过 我只是写的故事化罢了 先附上超连结 会看的比较轻松 无广告和该死的音乐 http://iamdsilver.blogspot.com/2011/09/blog-post_8212.html 你听过下面几个人的名字吗 这会是本篇最重要的一篇，本篇先介绍所有重要的科学家，由於篇幅很长， 若您打开文章看到篇幅，会像看到黑人脱下裤子一样吓一跳。如果写的很乱 还请您见谅，本篇最初会做个总整理，让大家尽可能看的清楚些。 我想写的是「人」的故事，而科学公式和理论尽量查证，若有错还请告知。 詹姆斯·洛夫洛克（James Ephraim Lovelock，1919年7月26日－还活着） 发明可追踪微量气体的仪器，以及提出盖亚学说 弗兰克·舍伍德·罗兰（Frank Sherwood Rowland，1927年6月28日－） 马里奥·莫利纳（José Mario Molina-Pasquel Henríquez，1943年3月19 日－） 1995因为证实cfc危害臭氧层理论而得到诺贝尔化学奖。两人为师徒关系。 约瑟. 法曼Joe Farman 第一个在南极观测到臭氧洞的人 苏珊. 所罗门 推论并证实极地涡旋以及极定平流层冰云 真的是极地女英雄 这个你一定听过吧 NASA的哥达太空中心 Nimbus-7最早的气象卫星系列 修高等大气辐射的偶而都听说过 可惜今天他在本篇文章，是和米奇利一样的地位，为了衬托以上科学家的贡 献。 我想先介绍一下背景以及历史关系，可以比较容易进入状况。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 1930年米奇利发明CFC 1960年洛夫洛克发明仪器追踪CFC，CFC会影响可见度，并得到CFC含量数据 196X年罗兰和莫利纳发现CFC会释出Cl原子破坏臭氧层 1975年4月美国科学院召集科学家进行调查，於1976年9月报告发表了。 内容有以下两点： 1.罗兰与莫利纳计算结果没有错，CFC对臭氧层造成威胁 2.威胁程度尚未确认，合理作法应该是静观其变，而不是雷厉风行的改革。 【目前尚不了解HCl与ClNO3释放氯原子的机制。】 1983年法曼在南极发现臭氧洞 1985年法曼投稿《自然》 NASA发现自己出包 极地女英雄苏珊. 所罗门推论并证实极地涡旋以及极定平流层冰云，对臭氧 洞的影响 1987年9月16日 蒙特屡条约签订 1988年三月，世界最大的CFC制造公司，杜邦宣布停产。 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 写下本篇最重要的一篇内容，我想表达的是，真正在作正确事情的人，总是 寂寞、孤军、无奈、万夫所指，尤其是大气科学这门，以上的人名我念书时 从来没听过，(是啦 我大学上课很混)。可是，他们是真正对世界有贡献的人 。 追踪CFC！ 洛夫洛克的故事 詹姆斯·洛夫洛克，英国人，1960年代介入臭氧的故事，他的盖亚学说可以 先略过，他在英国时发现晴空偶而会出现灰蒙蒙的现象，导致能见度变低， 用现在的说法，就是出现「霾」的天气现象。（我可以作证，当兵时我做气 象士，早上都是晴空7哩，中午吃饱饭，想说偷懒度咕一下，下午一醒来，妈 呀能见度低到剩1哩，在塔台差点没被干死。当天下午军方行程全部受影响。 ） 洛夫洛克对於CFC有深切的了解，知道这是稳定的惰性气体，化学的可贵应该 是活性越佳越好。但惰性气体有个看似无用的好处，可以当「追踪剂」。 洛夫洛克一开始就认定这些霾是工厂生出来的，於是他发明一个仪器，可以 测量微量气体，当然，最重要的是可以测量CFC。我真的觉得他是个天才，想 以想出拿CFC当追踪剂。 实验结果证明，有CFC的地方，能见度的确较低。所以两者有正相关。 洛夫洛克的第二个行动，就是去南半球证实他的理论。因为北半球比较发达 ，工厂也多，如果证实北半球CFC较南半球多，即代表CFC散布到全世界，也 真的影响了天气，不过此时影响的还只是能见度，洛夫洛克并不知道CFC更麻 烦的影响。 正如洛夫洛克所见，南半球能见度真的较高，CFC测得数据也较北半球低了一 半。CFC真的影响了天气。 当洛夫洛克将论文投稿到期刊《自然》时，因为当时大家对於「化学的」都 畏如蛇蠍，为了用词谨慎，他写下了後悔莫及的一句话，不然今天拿诺贝尔 奖的可能是他。他写下，「这些复合物质，对任何人都不可能造成危害（因 为惰性嘛）」 被CFC和紫外线以及臭氧的效应吓一跳的师徒 罗兰与莫利纳 後来两人拿到诺贝尔奖 接下来故事来到美国，洛夫洛克的论文给一位教授 舍伍德·罗兰看到。他很 好奇，为什麽经过这麽多年(1930发明CFC到1960已经30年)，每年工厂CFC产 量的加总，会几乎等於目前大气所测到的CFC总含量。 如果是我看到洛夫洛克的论文，我会回答罗兰，阿就惰性气体阿，不反应当 然就一直留着。然後就没话题了。 只是，因为罗兰很.好.奇，他不相信任何物质会永远存在，任何在大气中的 物质多半维持几周就消失。然而CFC似乎存在大气的时间特别漫长。罗兰并不 担心这点，他只是很好奇，眉头一皱，揪～竟，CFC最後会变成怎样。 教授很忙，很多研究和行政要做，因此罗兰将这像议题留给博士後研究的马 里奥·莫利纳。他是一位墨西哥人，但也是第一位得诺贝尔奖的墨西哥人。 (莫利纳已经被美国总统欧巴马指定为管理环境事务的过渡小组的成员。) 莫利纳的研究表示，CFC不融於水，所以不会随雨水降回地表，对流层都很安 全。CFC会一路往上飘到平流层，问题就是从那里开始。 臭氧吸收了UVB和UVC(即紫外线)，有1%的UVB，臭氧无法吸收，会射到地表造 成皮肤变黑，重点就是UVB和UVC只存在於平流层以上，因此对流层的人不知 道UVC和CFC会造成什麽效应。 我觉得教科书，重点多半表达在「氯分子变成氯原子」并不是好解释。应该 把重点写为「CFC有较多机会碰到UVC」。两句话的化学式都一样CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl，但我会解释一下。 因为对流层UVC很稀少，臭氧含量也吸少，因此居住於对流层的科学家对於 CFC的问题多半不会特别注意，实际上莫利纳也证实CFC在对流层很稳定且无 害。 然而到了平流层，因为UVB含量较高，CFC有较高的机会做出CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl的反应。 接下来就如一般教科书所言，在CFC还没发明以前，人家平流层好好的 O + O3 → 2 O2 2O2 →O3+O 进行的很顺利也达成臭氧浓度平衡，现在CFC这东西进来搅局，让原本平衡的 臭氧浓度遭受改变 Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O3 → Cl + 2 O2 以及教科书最常提到的数据：一个氯原子大约能和十万个臭氧分子作用。 这就是莫利纳的研究结果。非常可怕的CFC，他和老师罗兰一再的验算，一再 的核对，却得出相同的答案。罗兰和家人讲了一句话。「研究一切都很顺利 ，但是好像来到了世界末日。」 先前提到的洛夫洛克知道这个结果，决定搭了飞机求证。依照他的逻辑， CFC浓度应该是这样分布的，对流层底部是工厂和消费市场，CFC含量高可以 相信，然而CFC不融於水，因此不随雨水往下再次降到地表，一路往上飘的 CFC，理论上到平流层累积後应该浓度要很高才对。而且因为平流层违逆温层 ，垂直运动很弱，要再往上跑应该很困难。 然而实际坐上飞机，拿着他发明的仪器测量，CFC的浓度，由对流层底向上递 减，到了平流层，真的是测不到什麽CFC了。 http://www.flickr.com/photos/dsilver/6146838622/ 接下来就是进入争论的阶段。几千万罐喷雾会毁灭大气的臭氧层？而且那几 千万罐喷雾价值80亿美元！ 罗兰与莫利纳豁出去了，举行了记者会发表结果，在保守的科学界，这似乎 是碰不得的逆鳞。(而40年後高尔更进一部，拍了一部好莱坞纪录片。)科学 家和企业的争论从此展开。 企业利润与环境安全首次对战。环境安全这次能够站上台面，主要还是1970 年代瑞秋.卡森的《寂静的春天》一书，唤起美国人重视杀虫剂的危害。 1975年4月美国科学院召集科学家进行调查，於1976年9月报告发表了。 内容有以下两点： 1.罗兰与莫利纳计算结果没有错，CFC对臭氧层造成威胁 2.威胁程度尚未确认，合理作法应该是静观其变，而不是雷厉风行的改革。 罗兰与莫利纳认为该报告可以直接浓缩为两个字「没错！」「不过！」。 简单来讲，就是官僚。 美国科学院会如此谨慎不是没有原因，因为还有个谜题没解开，这谜题也就 是各个和臭氧有关的考试最爱考的关键字。 我大概描述一下该考题 1.为什麽臭氧洞会出现在CFC污染较不严重的南半球，还是在南半球春天？ 2.极地涡旋和极地平流层冰云，我知道是上面问题的关键字，但请解释其机 制对臭氧的影响。 美国国家科学院未解开的问题就是：平流层还有H+离子和NO3+离子，遇到Cl 原子会形成HCl和ClNO3 HCl和ClNO3为平流层氯原子的储存槽，就算CFC会释放Cl原子，遇到上述两个 离子应该就会稳定下来，不再破坏臭氧。我们相信罗兰与莫利纳计算无误， 现在问题在於不了解HCl和Cl3NO3是否容易抓住这个小恶魔「Cl原子」。 如果容易释放Cl原子，那臭氧层应该破坏更严重（但观测数据不符合）。 如果不易释放Cl原子（理论上是这样），那臭氧层破洞其实没啥可怕。 CFC较少的南极，为何臭氧洞那麽大？ 让约瑟. 法曼和极地女英雄苏珊. 所罗门告诉你。 前两日听闻南极研究站的杂交性丑闻，又让我想到南极研究站的约瑟. 法曼 ，我知道很无理取闹乱套梗，不过且听我说道。 1970年代，约瑟. 法曼在南极研究站观测并整理平流层臭氧含量。为什麽要 到南极？因为他们利用追踪臭氧动态来观测南极的平流层大气运动。我真的 觉得这些科学家聪明到不行，无法直接用高空气球来观测大气运动，就换条 跑道，拿臭氧来当追踪剂，和洛夫洛克追踪CFC一样，都是天才阿！ 而罗兰与莫利纳的报告更促进臭氧研究变成重要议题。法曼也有一些心得， 但他抓不准，也就是南极的春天，臭氧含量总有些变化。直到1977年10月， 也就是南半球的春天，臭氧量急遽减少，而且一年一年的恶化。1983年他预 期该年春天应该有300单位含量，但只有测到200单位！ 1985年，法曼将论文投稿到《自然》，罗兰与莫利纳没有引起的骚动，倒是 让法曼引起了，而且还是科学界的巨人NASA的哥达太空飞行中心(Goddard Space Fight Center)，他们的Nimbus-7负责观测臭氧并没有测得该项数据。 後来才知道，Nimbus-7自设的程式，主观的将不合理的杂讯去除，也就是臭 氧低於180的数值，都会被自动修复为正常数值，卫星的确没有看到法曼的观 测到的破洞，等到NASA将Nimbus-7正确数据套入，发现臭氧洞已经像美国国 土一样大了。 百年难得一遇的科学奇蹟，在工程师的巧手下遮掩了巨人的眼睛。 而臭氧研究学界方寸大乱，罗兰与莫利纳没有想到情况已经糟到这种悲观地 步。 那继续回归理性，南半球工业以及消费市场较不发达，为何臭氧洞只有出现 在南极上空？ 原因在於两个关键字：极地涡旋和极地平流层冰云。 先有极地涡旋，才形成极地平流层冰云。 南极是块大陆，因为比热缘故温度比北极还要低。而南极特有的高层气象： 极地涡旋会隔绝纬度较低的热空气，让涡旋内的温度一直下降。下降到零下 70度以下！ 平流层一般来讲是不会有云的。以我当兵的经验，高云族的卷云也才18000英 尺，合计为5486.4公尺。一般平流层高度约都在10公里，也就是一万公尺左 右。 不过那是指平常平流层不会有云，南极的平流层，会出现一种极地平流层冰 云，北极都不够冷，北极熊无法欣赏到这种云。 另外说明一下，因为台湾军方飞机都是美国买的，仪表板上都是美式单位。 高度的判别都用英尺，而非公尺。 以下两张是Google来的极地平流层冰云 很漂亮呢 http://farm7.static.flickr.com/6088/6146757816_10231433c7_m.jpg http://farm7.static.flickr.com/6194/6146209225_3c7e9f98c0_m.jpg 也就是极地平流层冰云的关系，原本从CFC释放的Cl原子，再形成HCl和 ClNO3後，会依附在云层上。 云层中粒子无论属何性质，由什麽构成，当其表面温度低於-73摄氏度时，任 何形式存在的氯转都会发生转变为活性氯的化学反应。当南极洲处於暖季（ 11月~3月）时，南极上空臭氧层中的氯化合物只受到太阳紫外线辐射的影响 ，分解缓慢。但当进入酷寒的冬季（4~10月），其气温可达-88.3摄氏度，云 层中冰冷的粒子此时便成了释放活性氯的化学反应的催化剂，这就更大破坏 了南极上空臭氧，因此出现臭氧层空洞。（这段参考自维基百科） 所以南极的冬天释放了大量的氯原子，不过永昼的冬天还没啥阳光和UVC，等 春天一来，第一丝阳光射入南极，恶梦就开始了。 那是服务於NOAA的苏珊. 所罗门的研究结果。她首先是在温暖的电脑前导入 了大家都没想到的因素（极地平流层冰云）到电脑模式。验证理论後，又亲 自率领12人前往南极。人家是女生，而且当时才30岁。 到南极工作室一件很匪夷所思的事情，而且是南极的冬天。因为行程紧凑， 原本预定用月光追踪平流层物质浓度的机器，没有导入镜面对准月光的程式 ，一切依赖人工。一天晚上，天气转阴没有月光，自然无法观测，所罗门回 去睡袋睡了一觉起来，发现外面狂风暴雪，而且是南极式的狂风暴雪。该仪 器准备完蛋！所罗门想都没想就夺帐篷而出去拯救仪器！ 这就是她为什麽能成为极地女英雄的原因。 所罗门的努力没有白费，整救回来的仪器成功验证她的理论。 回到最初的原点 1987年9月16日，联合国环境规划署和世界21国以及欧州签订蒙特屡条约，这 份从国中就在背的东西，当初我只觉得和甲午战争马关条约一样不过是个名 词，了解背後的故事後，还满佩服的。 1988年三月，世界最大的CFC制造公司，杜邦宣布停产。 後续 1995年罗兰与莫利纳，这对师徒得到诺贝尔化学奖。莫利纳是第一个得到诺 贝尔奖的墨西哥人，目前在欧巴马指定为管理环境事务的过渡小组的成员 而女英雄所罗门，南极的一条冰河以她的姓氏命名。2001年九月还搭机从美 国飞往英国接受作者的访问。那时911才刚发生...... 臭氧和全球暖化有关系吗？有些间接关系的。全球暖化，其实是对流层暖化 ，而平流层温度会更低。（地球整体热通量为定值）。更有机会形成平流层 冰云，进而造成臭氧洞。不过这是嘴巴上的理论，还没有实际验证。 2005年，北极出现极地坪流层冰云，观测到臭氧浓度为平均值的一半。虽然 规模还小，但南极无人居住，北极的臭氧洞却有机会波及到有人居住的地方 。 洛夫洛克是提出盖亚学说的人，他於1999年写下这段话： 「我们地球是颗绝美的行星：它的美是我们祖先的气、血和骨骼构成的。我 们必须记得，我们的祖先是意识到地球是种生物，对它敬畏有加。盖亚自诞 生以来一直扮演地球的守护神，若不肯让他照管，我们都会自行恶果。」 -- 东西坏掉的时候，最简单的方法是丢掉他或是不理他， 不过，若是你肯退一步，看看手边的东西， 有时候，你会找到另一种使它恢复的， 不同方法 By马盖先 --

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