天空破洞的故事

作者: dsilver (細數遠星永唱泉水) 看板: TY_Research
標題: [故事] 天空破洞的故事 主文
時間: Wed Sep 14 21:52:16 2011

本文一共320行 我不是在寫論文 我只是想寫「故事」
這些東西大家應該都學過 我只是寫的故事化罷了
先附上超連結 會看的比較輕鬆 無廣告和該死的音樂

http://iamdsilver.blogspot.com/2011/09/blog-post_8212.html

你聽過下面幾個人的名字嗎

這會是本篇最重要的一篇,本篇先介紹所有重要的科學家,由於篇幅很長,
若您打開文章看到篇幅,會像看到黑人脫下褲子一樣嚇一跳。如果寫的很亂
還請您見諒,本篇最初會做個總整理,讓大家儘可能看的清楚些。

我想寫的是「人」的故事,而科學公式和理論儘量查證,若有錯還請告知。

詹姆斯·洛夫洛克(James Ephraim Lovelock,1919年7月26日-還活著)
發明可追蹤微量氣體的儀器,以及提出蓋亞學說

弗蘭克·舍伍德·羅蘭(Frank Sherwood Rowland,1927年6月28日-)
馬里奧·莫利納(Jos Mario Molina-Pasquel Henrquez,1943年3月19
日-)
1995因為證實cfc危害臭氧層理論而得到諾貝爾化學獎。兩人為師徒關係。

約瑟. 法曼Joe Farman
第一個在南極觀測到臭氧洞的人

蘇珊. 所羅門
推論並證實極地渦旋以及極定平流層冰雲
真的是極地女英雄

這個你一定聽過吧
NASA的哥達太空中心
Nimbus-7最早的氣象衛星系列 修高等大氣輻射的偶而都聽說過
可惜今天他在本篇文章,是和米奇利一樣的地位,為了襯托以上科學家的貢
獻。

我想先介紹一下背景以及歷史關係,可以比較容易進入狀況。
============================

1930年米奇利發明CFC
1960年洛夫洛克發明儀器追蹤CFC,CFC會影響可見度,並得到CFC含量數據
196X年羅蘭和莫利納發現CFC會釋出Cl原子破壞臭氧層
1975年4月美國科學院召集科學家進行調查,於1976年9月報告發表了。
內容有以下兩點:
1.羅蘭與莫利納計算結果沒有錯,CFC對臭氧層造成威脅
2.威脅程度尚未確認,合理作法應該是靜觀其變,而不是雷厲風行的改革。
【目前尚不了解HCl與ClNO3釋放氯原子的機制。】
1983年法曼在南極發現臭氧洞
1985年法曼投稿《自然》 NASA發現自己出包
極地女英雄蘇珊. 所羅門推論並證實極地渦旋以及極定平流層冰雲,對臭氧
洞的影響
1987年9月16日 蒙特屢條約簽訂
1988年三月,世界最大的CFC製造公司,杜邦宣布停產。
============================

寫下本篇最重要的一篇內容,我想表達的是,真正在作正確事情的人,總是
寂寞、孤軍、無奈、萬夫所指,尤其是大氣科學這門,以上的人名我念書時
從來沒聽過,(是啦 我大學上課很混)。可是,他們是真正對世界有貢獻的人

追蹤CFC! 洛夫洛克的故事

詹姆斯·洛夫洛克,英國人,1960年代介入臭氧的故事,他的蓋亞學說可以
先略過,他在英國時發現晴空偶而會出現灰濛濛的現象,導致能見度變低,
用現在的說法,就是出現「霾」的天氣現象。(我可以作證,當兵時我做氣
象士,早上都是晴空7哩,中午吃飽飯,想說偷懶度咕一下,下午一醒來,媽
呀能見度低到剩1哩,在塔台差點沒被幹死。當天下午軍方行程全部受影響。

洛夫洛克對於CFC有深切的了解,知道這是穩定的惰性氣體,化學的可貴應該
是活性越佳越好。但惰性氣體有個看似無用的好處,可以當「追蹤劑」。

洛夫洛克一開始就認定這些霾是工廠生出來的,於是他發明一個儀器,可以
測量微量氣體,當然,最重要的是可以測量CFC。我真的覺得他是個天才,想
以想出拿CFC當追蹤劑。

實驗結果證明,有CFC的地方,能見度的確較低。所以兩者有正相關。

洛夫洛克的第二個行動,就是去南半球證實他的理論。因為北半球比較發達
,工廠也多,如果證實北半球CFC較南半球多,即代表CFC散佈到全世界,也
真的影響了天氣,不過此時影響的還只是能見度,洛夫洛克並不知道CFC更麻
煩的影響。

正如洛夫洛克所見,南半球能見度真的較高,CFC測得數據也較北半球低了一
半。CFC真的影響了天氣。

當洛夫洛克將論文投稿到期刊《自然》時,因為當時大家對於「化學的」都
畏如蛇蠍,為了用詞謹慎,他寫下了後悔莫及的一句話,不然今天拿諾貝爾
獎的可能是他。他寫下,「這些複合物質,對任何人都不可能造成危害(因
為惰性嘛)」

被CFC和紫外線以及臭氧的效應嚇一跳的師徒
羅蘭與莫利納
後來兩人拿到諾貝爾獎

接下來故事來到美國,洛夫洛克的論文給一位教授 舍伍德·羅蘭看到。他很
好奇,為什麼經過這麼多年(1930發明CFC到1960已經30年),每年工廠CFC產
量的加總,會幾乎等於目前大氣所測到的CFC總含量。

如果是我看到洛夫洛克的論文,我會回答羅蘭,阿就惰性氣體阿,不反應當
然就一直留著。然後就沒話題了。

只是,因為羅蘭很.好.奇,他不相信任何物質會永遠存在,任何在大氣中的
物質多半維持幾週就消失。然而CFC似乎存在大氣的時間特別漫長。羅蘭並不
擔心這點,他只是很好奇,眉頭一皺,揪~竟,CFC最後會變成怎樣。

教授很忙,很多研究和行政要做,因此羅蘭將這像議題留給博士後研究的馬
里奧·莫利納。他是一位墨西哥人,但也是第一位得諾貝爾獎的墨西哥人。
(莫利納已經被美國總統歐巴馬指定為管理環境事務的過渡小組的成員。)

莫利納的研究表示,CFC不融於水,所以不會隨雨水降回地表,對流層都很安
全。CFC會一路往上飄到平流層,問題就是從那裏開始。

臭氧吸收了UVB和UVC(即紫外線),有1%的UVB,臭氧無法吸收,會射到地表造
成皮膚變黑,重點就是UVB和UVC只存在於平流層以上,因此對流層的人不知
道UVC和CFC會造成什麼效應。

我覺得教科書,重點多半表達在「氯分子變成氯原子」並不是好解釋。應該
把重點寫為「CFC有較多機會碰到UVC」。兩句話的化學式都一樣CFCl3 + hν
→ CFCl2 + Cl,但我會解釋一下。

因為對流層UVC很稀少,臭氧含量也吸少,因此居住於對流層的科學家對於
CFC的問題多半不會特別注意,實際上莫利納也證實CFC在對流層很穩定且無
害。

然而到了平流層,因為UVB含量較高,CFC有較高的機會做出CFCl3 + hν →
CFCl2 + Cl的反應。

接下來就如一般教科書所言,在CFC還沒發明以前,人家平流層好好的
O + O3 → 2 O2
2O2 →O3+O
進行的很順利也達成臭氧濃度平衡,現在CFC這東西進來攪局,讓原本平衡的
臭氧濃度遭受改變
Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O3 → Cl + 2 O2

以及教科書最常提到的數據:一個氯原子大約能和十萬個臭氧分子作用。

這就是莫利納的研究結果。非常可怕的CFC,他和老師羅蘭一再的驗算,一再
的核對,卻得出相同的答案。羅蘭和家人講了一句話。「研究一切都很順利
,但是好像來到了世界末日。」

先前提到的洛夫洛克知道這個結果,決定搭了飛機求證。依照他的邏輯,
CFC濃度應該是這樣分布的,對流層底部是工廠和消費市場,CFC含量高可以
相信,然而CFC不融於水,因此不隨雨水往下再次降到地表,一路往上飄的
CFC,理論上到平流層累積後應該濃度要很高才對。而且因為平流層違逆溫層
,垂直運動很弱,要再往上跑應該很困難。

然而實際坐上飛機,拿著他發明的儀器測量,CFC的濃度,由對流層底向上遞
減,到了平流層,真的是測不到什麼CFC了。

臭氧濃度分布

接下來就是進入爭論的階段。幾千萬罐噴霧會毀滅大氣的臭氧層?而且那幾
千萬罐噴霧價值80億美元!

羅蘭與莫利納豁出去了,舉行了記者會發表結果,在保守的科學界,這似乎
是碰不得的逆鱗。(而40年後高爾更進一部,拍了一部好萊塢紀錄片。)科學
家和企業的爭論從此展開。

企業利潤與環境安全首次對戰。環境安全這次能夠站上檯面,主要還是1970
年代瑞秋.卡森的《寂靜的春天》一書,喚起美國人重視殺蟲劑的危害。

1975年4月美國科學院召集科學家進行調查,於1976年9月報告發表了。
內容有以下兩點:
1.羅蘭與莫利納計算結果沒有錯,CFC對臭氧層造成威脅
2.威脅程度尚未確認,合理作法應該是靜觀其變,而不是雷厲風行的改革。

羅蘭與莫利納認為該報告可以直接濃縮為兩個字「沒錯!」「不過!」。
簡單來講,就是官僚。

美國科學院會如此謹慎不是沒有原因,因為還有個謎題沒解開,這謎題也就
是各個和臭氧有關的考試最愛考的關鍵字。
我大概描述一下該考題

1.為什麼臭氧洞會出現在CFC污染較不嚴重的南半球,還是在南半球春天?
2.極地渦旋和極地平流層冰雲,我知道是上面問題的關鍵字,但請解釋其機
制對臭氧的影響。

美國國家科學院未解開的問題就是:平流層還有H+離子和NO3+離子,遇到Cl
原子會形成HCl和ClNO3

HCl和ClNO3為平流層氯原子的儲存槽,就算CFC會釋放Cl原子,遇到上述兩個
離子應該就會穩定下來,不再破壞臭氧。我們相信羅蘭與莫利納計算無誤,
現在問題在於不了解HCl和Cl3NO3是否容易抓住這個小惡魔「Cl原子」。
如果容易釋放Cl原子,那臭氧層應該破壞更嚴重(但觀測數據不符合)。
如果不易釋放Cl原子(理論上是這樣),那臭氧層破洞其實沒啥可怕。

CFC較少的南極,為何臭氧洞那麼大?
讓約瑟. 法曼和極地女英雄蘇珊. 所羅門告訴你。

前兩日聽聞南極研究站的雜交性醜聞,又讓我想到南極研究站的約瑟. 法曼
,我知道很無理取鬧亂套梗,不過且聽我說道。

1970年代,約瑟. 法曼在南極研究站觀測並整理平流層臭氧含量。為什麼要
到南極?因為他們利用追蹤臭氧動態來觀測南極的平流層大氣運動。我真的
覺得這些科學家聰明到不行,無法直接用高空氣球來觀測大氣運動,就換條
跑道,拿臭氧來當追蹤劑,和洛夫洛克追蹤CFC一樣,都是天才阿!

而羅蘭與莫利納的報告更促進臭氧研究變成重要議題。法曼也有一些心得,
但他抓不準,也就是南極的春天,臭氧含量總有些變化。直到1977年10月,
也就是南半球的春天,臭氧量急遽減少,而且一年一年的惡化。1983年他預
期該年春天應該有300單位含量,但只有測到200單位!

1985年,法曼將論文投稿到《自然》,羅蘭與莫利納沒有引起的騷動,倒是
讓法曼引起了,而且還是科學界的巨人NASA的哥達太空飛行中心(Goddard
Space Fight Center),他們的Nimbus-7負責觀測臭氧並沒有測得該項數據。

後來才知道,Nimbus-7自設的程式,主觀的將不合理的雜訊去除,也就是臭
氧低於180的數值,都會被自動修復為正常數值,衛星的確沒有看到法曼的觀
測到的破洞,等到NASA將Nimbus-7正確數據套入,發現臭氧洞已經像美國國
土一樣大了。

百年難得一遇的科學奇蹟,在工程師的巧手下遮掩了巨人的眼睛。

而臭氧研究學界方寸大亂,羅蘭與莫利納沒有想到情況已經糟到這種悲觀地
步。

那繼續回歸理性,南半球工業以及消費市場較不發達,為何臭氧洞只有出現
在南極上空?

原因在於兩個關鍵字:極地渦旋和極地平流層冰雲。

先有極地渦旋,才形成極地平流層冰雲。

南極是塊大陸,因為比熱緣故溫度比北極還要低。而南極特有的高層氣象:
極地渦旋會隔絕緯度較低的熱空氣,讓渦旋內的溫度一直下降。下降到零下
70度以下!

平流層一般來講是不會有雲的。以我當兵的經驗,高雲族的捲雲也才18000英
呎,合計為5486.4公尺。一般平流層高度約都在10公里,也就是一萬公尺左
右。

不過那是指平常平流層不會有雲,南極的平流層,會出現一種極地平流層冰
雲,北極都不夠冷,北極熊無法欣賞到這種雲。

另外說明一下,因為台灣軍方飛機都是美國買的,儀表板上都是美式單位。
高度的判別都用英呎,而非公尺。

以下兩張是Google來的極地平流層冰雲
很漂亮呢

http://farm7.static.flickr.com/6088/6146757816_10231433c7_m.jpg

http://farm7.static.flickr.com/6194/6146209225_3c7e9f98c0_m.jpg

也就是極地平流層冰雲的關係,原本從CFC釋放的Cl原子,再形成HCl和
ClNO3後,會依附在雲層上。

雲層中粒子無論屬何性質,由什麼構成,當其表面溫度低於-73攝氏度時,任
何形式存在的氯轉都會發生轉變為活性氯的化學反應。當南極洲處於暖季(
11月~3月)時,南極上空臭氧層中的氯化合物只受到太陽紫外線輻射的影響
,分解緩慢。但當進入酷寒的冬季(4~10月),其氣溫可達-88.3攝氏度,雲
層中冰冷的粒子此時便成了釋放活性氯的化學反應的催化劑,這就更大破壞
了南極上空臭氧,因此出現臭氧層空洞。(這段參考自維基百科)

所以南極的冬天釋放了大量的氯原子,不過永晝的冬天還沒啥陽光和UVC,等
春天一來,第一絲陽光射入南極,惡夢就開始了。

那是服務於NOAA的蘇珊. 所羅門的研究結果。她首先是在溫暖的電腦前導入
了大家都沒想到的因素(極地平流層冰雲)到電腦模式。驗證理論後,又親
自率領12人前往南極。人家是女生,而且當時才30歲。

到南極工作室一件很匪夷所思的事情,而且是南極的冬天。因為行程緊湊,
原本預定用月光追蹤平流層物質濃度的機器,沒有導入鏡面對準月光的程式
,一切依賴人工。一天晚上,天氣轉陰沒有月光,自然無法觀測,所羅門回
去睡袋睡了一覺起來,發現外面狂風暴雪,而且是南極式的狂風暴雪。該儀
器準備完蛋!所羅門想都沒想就奪帳篷而出去拯救儀器!

這就是她為什麼能成為極地女英雄的原因。

所羅門的努力沒有白費,整救回來的儀器成功驗證她的理論。

回到最初的原點

1987年9月16日,聯合國環境規劃署和世界21國以及歐州簽訂蒙特屢條約,這
份從國中就在背的東西,當初我只覺得和甲午戰爭馬關條約一樣不過是個名
詞,了解背後的故事後,還滿佩服的。

1988年三月,世界最大的CFC製造公司,杜邦宣布停產。

後續
1995年羅蘭與莫利納,這對師徒得到諾貝爾化學獎。莫利納是第一個得到諾
貝爾獎的墨西哥人,目前在歐巴馬指定為管理環境事務的過渡小組的成員

而女英雄所羅門,南極的一條冰河以她的姓氏命名。2001年九月還搭機從美
國飛往英國接受作者的訪問。那時911才剛發生……

臭氧和全球暖化有關係嗎?有些間接關係的。全球暖化,其實是對流層暖化
,而平流層溫度會更低。(地球整體熱通量為定值)。更有機會形成平流層
冰雲,進而造成臭氧洞。不過這是嘴巴上的理論,還沒有實際驗證。

2005年,北極出現極地坪流層冰雲,觀測到臭氧濃度為平均值的一半。雖然
規模還小,但南極無人居住,北極的臭氧洞卻有機會波及到有人居住的地方

洛夫洛克是提出蓋亞學說的人,他於1999年寫下這段話:

「我們地球是顆絕美的行星:它的美是我們祖先的氣、血和骨骼構成的。我
們必須記得,我們的祖先是意識到地球是種生物,對它敬畏有加。蓋亞自誕
生以來一直扮演地球的守護神,若不肯讓他照管,我們都會自行惡果。」

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