Q29 在未来数十年臭氧层会发生怎么样的变化？
如果全世界能遵循《议定书》规定，由于臭氧消耗物质（ODS）带来的臭氧层大规模恢复预期会在21世纪中期达到。在未来数十年间，随着平流层中ODS和辐射性卤化气体的减少，臭氧层会逐渐恢复。除了ODS影响，未来臭氧含量会受到气候变化的影响。未来气候变化对臭氧层的影响在热带、中纬度带和极地会各异，极大程度上取决于未来二氧化碳（C02）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的排放。在长期的恢复过程中，大量的火山爆发会在某些年份暂时地减少臭氧含量。
由ODS引起的全球和极地臭氧层损耗的大规模恢复，预期能在本世纪的随后数十年间达到。臭氧层的恢复来自于《议定书》在减少全球ODS生产和消费上取得的成功。如今，大多数主要ODS的大气含量和等价有效平流层氯原子（EESC）都在减少（见Q16）。与ODS逐渐减少的作用相反，气候变化在未来会对臭氧层产生更大作用。气候变化是由于预期的温室气体含量增高引起的，主要是CO2，CH4和N2O，这会导致平流层温度、化学性质和循环的变化，从而影响臭氧。化学气候模型可以被用来预测在恢复期内不同的地理区域，臭氧会随着ODS和气候变化产生什么反应？全球性事件，比如重大火山喷发和地质工程活动，也会影响未来的臭氧水平。
使用化学-气候模型 对于未来总体臭氧预测是取决于一系列化学气候模型的结果，这些模型考虑了ODS和气候变化的影响。这些模型通过评估控制臭氧和气候过程的一系列复杂反应，包括辐射、化学反应和运输，来展现全球不同地区臭氧变化的差异。需要的模型输入包括，如历史和预测的ODS，CO2，CH4和N2O浓度，海面温度变化。化学气候模型的模拟结果被用来验证模型某些方面，这对于未来臭氧含量非常重要。比如模型对未来数十年的预测显示出大气环流的增强，它会气体带到热带平流层，在两个半球都将空气向极地移动，然后再将它们带回中纬度至高纬度的对流层。这些循环变化会显著改变全球臭氧分布，以及ODS和其他长寿命气体的大气寿命。同样，由于温室气体的正辐射强迫，地球表面会随之持续变暖，而平流层会持续变冷。一个更冷的平流层上部会导致臭氧的增加，这是因为更低的温度降低了气相臭氧损耗反应的效率。最终，CH4和N2O都会参与到决定平流层臭氧水平的化学变化中。
模拟近期臭氧层变化 模型结果与观测结果的比较有助于确定臭氧损耗的因素，并增加模型对于未来臭氧量预测的可信性。两个对于臭氧的重要测量，全球总臭氧量和南极地区最低总臭氧量（自1980年开始），与化学气候模型的模拟进行了对比（图Q20-1）。两个臭氧测定结果都显示了自1980年后臭氧层的大量损耗。模型的平均值与观测的下降相一致，说明臭氧损耗的主要过程可以很好地在模型中展现。模型和观测结果存在的一些差异，这可以通过反常的气候条件、火山爆发、太阳活动变化或者其他自然影响等来解释，这些因素并没有在各种模型中被全部包含。在图Q20-1中，全球总臭氧量在过去20年上升，而南极最小臭氧含量值保持相对稳定。全球总臭氧含量的上升，并不能单单归因于自1990s起的ODS的减少；这是因为臭氧层也从1991年皮纳图博火山爆发的损耗中恢复（见Q14）。
等效平流层氯（ESC）的预测 等效同温层氯（ESC）的值也通过化学-气候模型被预测，并展现了活性卤素气体（见Q8）随着时间损耗臭氧层的潜势。ESC和等价有效平流层氯原p子（EESC）相似（见Q16），它们都对平流层中的活性氯和溴气体进行了测量。每一个的权重解释了溴原子对损耗臭氧层更大的效率。ESC的计算可以比EESC更加准确、全面，这是因为化学-气候模型可以通过模拟高度、纬度、经度和时间来得到ESC。ESC的计算是基于历史和预测的ODS含量，和化学、传输过程。这一过程控制了（1）ODS向活性卤素气体的转换，（2）活性卤素气体在全球平流层的分布，（3）它们最终从平流层的去除。
图Q 29‑1臭氧损耗的模拟
大气的化学-气候模型，考虑了ODS和温度参数的变化，它被广泛应用于评估过去的臭氧层变化，并预测未来的臭氧层。模型结果和观测结果的一致性，增加了模型预测的可信性，并增强了我们对于臭氧层损耗过程的理解。观测的全球总臭氧含量（上部）和南极地区最小总臭氧量（下部）自1980s早期开始下降（红点）。臭氧在两个区域不在减少。观测结果绝大部分落在了化学-气候模型预测结果（蓝色阴影）的范围内。模型和观测结果存在的一些差异，这时因为一些反常的气候条件、火山爆发、太阳活动变化或者其他自然影响，这些因素并没有在各种模型中被全部包含。由于自21世纪，ODS含量开始下降，化学-气候模型预测全球总臭氧量会稳步上升至超过1980年水平，而南极最小臭氧量会回到1980年水平。
全球和地区ESC的长期变化分析在图Q20-2中展现，并有高度相似性。在所有区域，ESC变化从1960年值开始逐渐平稳上升，在20世纪末期达到顶峰，随后逐渐下降直至21世纪末期。在21世纪末期的值会接近1960年的水平，意味着在那时ODS会大量地从平流层中去除。ESC回到1980年水平会比1960年水平的时间早数十年，这是由于较慢的下降速率。
在2000年左右ESC的峰值在极地地区最高，在热带地区最低。在热带地区，平流层空气仅仅是最近从对流层中传输而来的，因此只有一小部分的ODS被转化为活性卤素气体（见Q8）。在极地地区，转化比例要高的多，这是由于平流层的空气平均需要数年时间才能从入口进入极地平流层下部。在这期间，较大比例的ODS被转化为活性卤素气体。
长期总臭氧量预测 由化学-气候模型计算的总臭氧量在图Q20-2中显示。各模型数值的范围在图中给出，并给出了模型预测的不确定性。不同地区的总臭氧量如下所示：
l 南极 总臭氧量的变化在南极地区的春季是最大的（十月）。气候环境模型显示ODS是南极地区过去数十年以及未来期间臭氧层损耗最重要的因素。气候要素的变化也起到相似作用。结果就是总臭氧量变化与ESC变化相反：随着ESC升高，臭氧成比例地下降；随着ESC下降，臭氧成比例地升高。南极总臭氧量预测会在世纪中叶，比其他地区更迟的时间，恢复到1980年水平。当臭氧损耗发生时，在南极晚冬/早春的气候变化会引起模型预测的巨大波动。
l 北极 在北极地区春季（三月）总臭氧量变化要比南极地区小得多。与南极地区相反，臭氧变化并非密切地与ESC变化呈相反关系。在世纪中叶以后，北极总臭氧量上升至超过仅仅由于ESC下降的预测值，这是因为大气循环的增强和平流层冷却的增强，以及CO2的升高。在2010年，北极总臭氧量预测高于1960年和1980年的值。与其他非极地地区相比，预测结果的范围较大时因为更大的气候变化，正如南极地区所提到的。北极地区总臭氧量预测会在2020至2035年间恢复1980年水平，并且会继续上升直至世纪末，这比ESC恢复1980年水平要快二十到三十年。
l 南半球和北半球中纬度地区 中纬度地区的年度平均臭氧变化要比极地地区春季损失值小得多。两个中纬度地区都与北极相似，总臭氧量回到1960和1980年速度要比ESC快得多。在北半球中纬度，模型预测在2030年总臭氧量回到1960年数值，而ESC需要一个世纪才能回到接近1960年水平。在南半球中纬度，总臭氧量的路径与北半球相似。差别在于南半球总臭氧量回到1960年会更迟（2055），且在2000年观察到的最大臭氧损耗更大。这两个方面都反应了南极臭氧损耗的影响，平流层臭氧含量低的空气在春季极地旋涡被打破后，会被传输到南半球中纬度地区（见Q11）。两个地区总臭氧量相比于ESC更快的恢复速率，是模型预测中气候引起的传输和平流层上层温度变化的结果。在中纬度地区年度平均值的模型范围要比极地春季平均值小得多。在回到1960或1980水平后，两个中纬度地区的总臭氧量会继续升高，并在2100年远远超过这一值。
l 热带 热带的总臭氧量变化要比其他地区小得多。在热带的平流层，臭氧对于ESC并不敏感，这是由于产生和传输在控制臭氧中起决定最用、以及ESC含量在这一地区很小。与其他地区相反，化学-气候模型预测在整个21世纪总臭氧量都会保持低于1960年水平。总臭氧量会在2040年缓慢恢复到1980年水平，在2060年左右达到峰值，此后又逐渐下降直至世纪末。热带地区独特的臭氧表现，是引文平流层上层臭氧增加和下层臭氧减少的不断平衡。当ODS含量下降和由于温室气体（主要是CO2）引起的温度升高下降时，平流层上层臭氧量增加。在平流层下层，由于平流层循环的增强减少了在空气离开热带地区前臭氧生产的时间，臭氧含量逐渐下降。正如前文提到的，这些循环变化也影响了北极和中纬度地区。
l 全球 年度平均总臭氧量预测会在21世纪中叶（2040-2080）回到1960年水平，而ESC会在21世纪末回到1960年数值。回到1980年数值要早得多。化学-气候模型的分析认为，总臭氧量的较早恢复主要是因为平流层上层降温作用。在极地地区春季总臭氧量较大的变化，并不会显著影响全球总臭氧量，这是因为这些数值是年度平均值，而极地地区仅仅是全球很小的地理组分。
图Q 29‑2臭氧和ESC的长期变化
化学-气候模型被用来预测在考虑臭氧层损耗物质（ODS）和气候变化影响下的总臭氧量。区域和全球对于总臭氧量和ESC在1960-2100期间的预测被展示，并以1960年的值为参考。在中间的世界地图展现了21世纪最后十年的预测总臭氧量平均值。总臭氧量损耗在1960年后开始上升，而ESC值也在整个平流层平稳上升。ESC值已达到顶峰，如今在缓慢下降。所有预测都显示了在2000年左右总臭氧损耗最大，这与ESC的最大值相一致。此后，除了热带地区，总臭氧量上升，而ESC值缓慢下降。除了南极和热带地区外，所有的预测中，总臭氧量会在21世纪中叶回到1960年水平，这比单独ESC下降所预测的结果要早。更早的恢复是因为气候的变化，它通过平流层传输和温度的变化影响了总臭氧量。在热带地区，与之相反，气候变化使得总臭氧量在整个21世纪都低于1960年水平。在南极地区，气候变化带来的影响相比其他地区要小得多。从而南极地区在春季总臭氧量与ESC变化是相反的，但都在21世纪末接近了1960年水平。每条曲线上的点都标记了总臭氧量和ESC的1980年水平值。每个小图相同的垂直比例使得不同地区的总臭氧量和ESC值可以直接比较。
未来紫外线照射 长期总臭氧量变化的预测可以被用来分析长期太阳紫外线照射达到地区表面的变化（见Q17）。随着总臭氧量的下降，紫外线照射中的UV-B组分会上升。基于对全球臭氧量的预测，清洁天空中UV-B照射将会在21世纪末降低到低于1960年的数值，这是因为在世纪末臭氧量也高于1960年水平。预测会经历增加的紫外线辐射的地区会是南极和热带，该地区在21世纪末总臭氧量仍低于1960年的水平。相比1960年水平，表面红斑辐射的大幅升高或下降，会导致对人类和生态系统监控的反面效应。
温室气体排放情景及其对未来臭氧层的影响 上文讨论的气候变化对未来臭氧的影响是基于使用了特定的温室气体排放情景。排放情景详述了在未来温室气体排放到大气中的量，并基于对于未来人口增长、经济发展、技术进步和政治决策的社会经济假设而建立。未来预测存在高度不确定性，因此设计不同的排放情景，以包含可能未来结果的较大范围。化学-气候模型模拟过程，使用不同的排放情景来确定气候变化对臭氧层影响的范围。这些模拟展现了全球不同地区的臭氧层变化和导致的地面UV水平，极大程度取决于温室气体的混合和相对含量。
图Q 29‑3全球总臭氧量随温室气体增加的变化
模型模拟包含了每一个温室气体CO2，N2O和CH4分别的变化，显示了每一特定气体如何影响全球总臭氧量。增长的CO2导致了臭氧量的增加，因为CO2会降低平流层温度并减缓臭氧破坏反应。增长的CH4也导致了臭氧量的增加，而N2O则与ODS类似导致了臭氧量的减少。这一结果与模型在包含所有温室气体下的模拟进行了对比。这些温室气体对总臭氧量的混合影响，并不是每个气体影响的简单加和，而是很大程度上取决于各气体的相对含量。
分别使用CO2，N2O和CH4增量进行简单模型的模拟，表明了这些相关性的原因（见图Q20-3）。用CO2增量的模拟仅仅显示了CO2对未来全球臭氧增加的主要影响。臭氧增加主要被解释为平流层气温下降所致。正如上文所详述的，在平流层上部更低的气温会减缓导致臭氧损耗的化学气相反应。循环的改变仅仅在全球臭氧量中期到很小的作用，这是由于在热带总臭氧量的减少和在高纬度地区总臭氧量的增加很大程度抵消了。使用CH4和N2O各自增量的模拟，显示了CH4在臭氧增加中的主要作用，而N2O在未来臭氧减少中起到了作用。这一现象的原因是N2O和CH4是活性其他（NOx和HOx）的源气体，它们会对平流层臭氧化学反应产生巨大影响。由N2O产生的活性气体会导致平流层臭氧的损耗，而CH4产生的活性气体则会导致平流层臭氧的生成。
火山爆发和地质工程 化学-气候模型中未包含的其他因素可能也会影响未来总臭氧量。火山爆发可能临时的减少全球总臭氧量（见Q14）。尤其在本世纪早期ESC值在最高峰时，相似的爆发也会使总臭氧量数年间下降。火山爆发是未能包括在图Q20-2和图Q20-3中的臭氧预测的不确定性的其他来源。
一些来自人类活动的地质工程也可能会减少气候作用力。一个被广泛讨论的提案是通过直接注入硫磺或硫酸来增加平流层的硫酸盐气溶胶。其预期的反应是由于增加的气溶胶遮住了太阳光，使得气候系统降温，这类似于一些火山爆发后观察到的现象。而所需要的注入物，如果在多年间保持稳定，可能会产生非计划中的后果，比如走臭氧量的下降和平流层温度和循环的改变。
本文基于2015年别鹏举、翟紫含、李力、高丁、王梓元、李志方、姜含宇、张兆阳、赵梦可等翻译《Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2014 Update》编著