麻省理工学院科学家从对流层上层臭氧上升中发现"人类指纹"

臭氧的双重角色：保护者和污染物

臭氧可以是一种有益的物质，也可以是一种有害的物质，这取决于它在大气层中的位置。在平流层中，这种无色气体可以保护地球免受太阳紫外线的伤害。但在离地面较近的地方，臭氧是一种有害的空气污染物，会引发慢性健康问题，包括胸痛、呼吸困难和肺功能受损。

而在这两者之间的对流层上部--平流层以下的大气层，也就是大多数飞机巡航的地方--臭氧作为一种有效的温室气体，加剧了地球变暖。

有迹象表明，尽管许多国家都在努力减少臭氧在地表的来源，但对流层上层的臭氧仍在持续上升。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人类造成的。

人类对上对流层臭氧的影响

在最近发表在《环境科学与技术》杂志上的一篇论文中，研究小组报告说，他们从 2005 年开始的 17 年卫星记录中检测到了人类影响对流层上部臭氧趋势的明显信号。

研究报告的第一作者、麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的研究生于新元说："我们证实，由于人类而不是气候噪声的影响，北部中纬度地区对流层上层臭氧有明显的增加趋势。"

"现在我们可以做更多的侦查工作，试图了解是哪些具体的人类活动导致了这种臭氧趋势，"合著者、地球、大气和行星科学彼得-斯通和保拉-马拉诺特-斯通教授阿琳-菲奥雷补充说。

这项研究的麻省理工学院作者包括塞巴斯蒂安-伊斯坦姆和朱勤旦，以及加州大学洛杉矶分校的本杰明-桑特、哥伦比亚大学的古斯塔沃-科雷亚、美国国家大气研究中心的让-弗朗索瓦-拉马克和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的杰拉尔德-齐梅克。

臭氧分析面临的挑战

了解臭氧的成因和影响是一项具有挑战性的工作。臭氧并不是直接排放的，而是"前体"的产物--氮氧化物和挥发性有机化合物（VOC）等初始成分在阳光下发生反应形成臭氧。这些前体产生于汽车尾气、发电厂、化学溶剂、工业流程、飞机排放物和其他人类活动。

臭氧是否会在大气中停留以及停留多长时间取决于一系列变量，包括特定地区人类活动的类型和程度，以及自然气候的可变性。例如，强烈的厄尔尼诺现象可能会影响大气环流，从而影响臭氧浓度，而不管当年人类向大气中排放了多少臭氧。

在自然变异中检测人类影响

区分臭氧趋势（尤其是对流层上层的臭氧趋势）的人为和气候驱动原因尤为棘手。使问题更加复杂的是，在对流层下层--大气层的最底层，也就是最接近地面的一层--臭氧已经停止上升，在过去几十年中，北部中纬度的一些地区甚至出现了下降。对流层低层臭氧减少的主要原因是北美和欧洲努力减少工业空气污染源。

于指出："在接近地表的地方，已经观测到一些地区的臭氧减少，其变化与人类排放的关系更为密切。对流层上部的臭氧变化趋势监测较少，但似乎与地表附近的趋势脱钩，而且臭氧更容易受到气候多变性的影响。因此，我们不知道对流层上部观测到的臭氧增加是否以及有多少是人类造成的。"

气候噪声中的人类信号

研究人员希望知道，由人类活动直接造成的臭氧浓度中的人类"指纹"，其强度是否足以在对流层上部的卫星观测中检测到。要看到这样的信号，研究人员首先要知道要寻找什么。

为此，他们对地球气候和大气化学进行了模拟。根据气候科学中开发的方法，他们推断，如果他们能够模拟最近几十年中可能出现的若干气候变化，所有这些变化都有相同的人为臭氧前体排放源，但每种变化的起始气候条件略有不同，那么这些情景之间的任何差异都应归因于气候噪声。据此推断，在对模拟情景进行平均时出现的任何共同信号都应归因于人为因素。那么，这种信号就是揭示人为臭氧的"指纹"，研究小组可以在实际的卫星观测中寻找这种"指纹"。

考虑到这一策略，研究小组使用最先进的化学气候模型进行了模拟。他们运行了多种气候情景，每种情景都从 1950 年开始，一直持续到 2014 年。

通过模拟，研究小组在各种情况下都发现了一个清晰而共同的信号，他们将其确定为人类指纹。随后，他们研究了从美国宇航局 Aura 卫星上的多个仪器中提取的对流层臭氧产品。

"老实说，我以为卫星数据会太嘈杂，"菲奥雷承认。"我没想到这种模式会足够强大"。

但是，他们使用的卫星观测数据给了他们一个足够好的机会。研究小组查看了从 2005 年到 2021 年的卫星产品得出的对流层上部臭氧数据，发现他们确实可以看到模拟预测的人为臭氧信号。这一信号在亚洲上空尤为明显，近几十年来，亚洲的工业活动显著增加，充足的阳光和频繁的天气事件将污染（包括臭氧及其前体）带到了对流层上部。

模拟和卫星数据的启示

团队目前正在寻找导致对流层上层臭氧增加的具体人类活动。

"这种增长趋势来自哪里？是汽车发动机和发电厂燃烧化石燃料产生的近地面排放吗？是在对流层上层飞行的飞机吗？是野地火灾的影响？还是以上所有因素的综合影响？"菲奥雷说。"能够将人为影响与自然气候变化区分开来，有助于制定应对气候变化和空气污染的策略。"

这项研究得到了美国国家航空航天局的部分资助。

参考文献：余新元、Arlene M. Fiore、Benjamin D. Santer、Gustavo P. Correa、Jean-François Lamarque、Jerald R. Ziemke、Sebastian D. Eastham 和 Qindan Zhu，2024 年 8 月 2 日，《环境科学与技术》，"从卫星获取的对流层上部臭氧趋势中可探测到人为指纹"。

DOI: 10.1021/acs.est.4c01289

编译自/ScitechDaily