ScienceDaily (Apr. 25, 2008) — 對於如何抵銷掉全球暖化的效應這個議題而言，過去被熱烈討論的方法之一就是將硫酸鹽粒子導入至地球同溫層當中，不過這個方法一直以來都有所爭議，因為這樣有可能對地球臭氧層產生致命的傷害，如今被美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research ，NCAR）證實了。NCAR 提出警告：如果真的將硫酸粒子注入大氣中，那麼將會延緩南極大陸臭氧層的修補，同時也會使北極上空的臭氧層消失。
圖1. Earth's ozone hole, shown here (in blue) in 2006, could be negatively affected by some efforts to mitigate climate change. (Credit: NASA)
「在我們的研究中顯示出當我們想要以人工的方式試圖去讓地球冷卻時可能會產生許多副作用，」Tilmes 說到。「氣候變遷的確是重大的威脅，但在社會各界試圖以地球工程解決問題之前，我們還需要作更多的研究。」
圖2. 美國國家大氣研究中心研究員 Simone Tilmes（圖片來源：http://www.ucar.edu/news/releases/2008/ozone.jsp）
最近幾年，氣候學家提出了所謂「地球工程學（geoengineering）」，不外乎就是希望能夠冷卻我們的行星同時降低全球暖化所造成的衝擊。最讓人耳熟能詳的作法之一就是降低溫室氣體的排放。然而其中有一個熱烈被討論到的構想便是由 1995 年諾貝爾獎當選人 Paul Crutzen 教授 及其研究小組所提出的 － 將能夠抵擋陽光照射的硫酸鹽粒子注入地球的大氣層當中。那麼也許能讓地球的地表冷卻下來，而要降低地表溫度所需要的硫酸鹽粒子則需要仰賴一次具規模的火山噴發才辦得到。
圖3. 火山噴發中所帶來的二氧化硫分子與大氣中的水分子作用形成硫酸粒子遮蔽了來自宇宙的放射線。（圖片來源：http://terra.nasa.gov/FactSheets/Aerosols/）
圖4. 1850 年至 2000 年，世界各國排放至大氣中的硫化物統計圖。Contribution of the major economic regions in the world to the anthropogenic sulfur emissions since 1850.
Source: S. J. Smith, R. Andres, E. Conception, J. Lurz, 2004, Sulfur dioxide emissions: 1850-2000 (JGCRI Report. PNNL-14537)
（圖片來源：http://www.atmosphere.mpg.de/enid/3__Acid_Rain/-_What_is_it__zw.html）
硫酸與臭氧（Sulfates and ozone）
火山爆發會使同溫層當中的臭氧層暫時變薄，Tilmes 及她所率領的團隊關注著地球工程計畫對於極地臭氧層所造成的潛在衝擊。從火山噴發中所釋放出來的硫酸鹽粒子會在同溫層下方較為寒冷的地方形成一層氯氣，雖然硫酸粒子本身並不是直接摧毀臭氧分子的兇手，但它一旦被活化之後便會引起一連串的化學反應使臭氧分子消失殆盡。
圖5. 地球對於太陽光能量的利用。（圖片來源：http://theblanketeffect.blogspot.com/2007_01_04_archive.html）
圖6. 火山噴發、臭氧層消失與全球暖化之間的關係圖。（圖片來源：http://www.atmos.umd.edu/~owen/CHPI/IMAGES/volceff.html）
而新的研究做出了一個結論，那就是在接下來的數十年，假想如果透過人造的方式將硫酸鹽粒子注入大氣中，那麼將會使北極上空大約四分之一到四分之三的臭氧層被摧毀。這將會影響廣大的北半球區域的大氣循環模式。
圖7. This sunset over northern Sweden in winter 1992 has a red tinge due to the presence of sulphate aerosol particles that were injected into the stratosphere by Mt. Pinatubo in June 1991. Also visible are polar stratospheric clouds, called mother-of-pearl, that consist of ice particles.（圖片來源：http://www.ucar.edu/news/releases/2008/ozone.jsp）
圖8. This depiction of present-day sulfate data used in the NCAR climate system model shows the annual average sulfate content in milligrams for a column above each square meter of the earth's surface. The greatest concentrations appear in eastern North America and eastern Asia. （圖片來源：http://www.ucar.edu/communications/highlights/1998/particles.html）
同時硫酸鹽粒子也會延緩南極臭氧層破洞的修復至少 30 至 70 年左右，甚至持續影響直到本世紀末的最後十年，作者這樣表示。
在 1987 年由全世界所同意簽署的 Montreal 公約（Montreal protocol）做出了透過停止使用氟氯碳化物（CFCs，chlorofluorocarbons）來積極使南極臭氧破洞復原的共識。這是因為臭氧層對於地球來說實在是太重要了，臭氧層可以抵擋來自陽光中對生物有害的紫外線及輻射。
「這個研究特別強調出在全球暖化及臭氧層消失之間的關連性，」馬里蘭大學的另一位共同作者 Ross Salawitch 這樣說到。「傳統上對於這兩個問題總是個別獨立的被討論，但是現在則大大的增加了這兩者之間微妙的關連性。」
臭氧層的衝擊（Ozone impacts）
為了測定出硫酸鹽粒子及臭氧層消失這兩者之間的關係，研究團隊結合了測量及電腦模擬。他們使用了兩種地球工程模式來預測未來臭氧層的消失狀況，第一種是使用相當於火山噴發所釋出的硫酸鹽粒子數量，另一種則是數量少很多的方式。
研究發現，當注入少量的粒子，在接下來的 20 年，便會使臭氧層濃度降低 100 至 230 Dobson 單位（Dobson Units，簡稱 DU）。臭氧層的濃度的確是明顯的降低了，因為北半球的平均臭氧濃度值是 300 至 450 DU。（Dobson 單位是一種用來描述該量測地區臭氧層厚薄的量度單位，若一地區臭氧值為 100 DU，則表示當壓縮到 0 ℃ 與 1 大氣壓（也就是標準狀態，1 大氣壓也指地球地表面之壓力）時，可以將臭氧層平鋪成約 1 公釐厚度的平板。）
圖9. Relationship between column ozone loss (DU) and PACl in the Arctic and Antarctic polar vortex core for the years 1992 to 2005 derived from measurements.＜大圖示＞（圖片來源：http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/1153966/DC1）
如果是大量的粒子，那麼北極所失去的臭氧濃度範圍則是從 70 到 150 DU。在每個例子中，較為嚴重的計算結果均與較冷的冬天有所關連。
而在本世紀的中期過後，臭氧層的濃度將會下降約 60 至 150 DU，當然這是取決於硫酸鹽粒子的數量以及嚴重的冬天。
對於南極而言，大多數的臭氧已經被耗盡，因此硫酸鹽粒子的注入並不會讓臭氧層厚度產生特別明顯的減少。不過取而代之的是臭氧層的復原期間將會被拖延許多。
當然研究團隊也說，如果大氣層的改變導致了不尋常的溫暖冬天或寒冷冬天，那對於臭氧層所遭受到的嚴重衝擊將有不同的評估。他們同時也警告，如果透過地球工程計畫中所提到的發生了大規模的火山噴發，那麼對於臭氧層的減少將會來得更加嚴重。
另一位來自德國 Joelich 研究中心的共同作者 Rolf Moeller 這樣說到：「在我們考慮將硫酸鹽煙霧粒子注入同溫層之前，顯然地，我們需要更多的研究以及周延的思緒才能確定地球工程所代表的全面性之含意。」
The University Corporation for Atmospheric Research manages the National Center for Atmospheric Research under primary sponsorship by the National Science Foundation (NSF). Opinions, findings, conclusions, or recommendations expressed in this document are those of the author(s) and do not necessarily reflect the views of the National Science Foundation, NASA, or other funding agencies.
Journal reference: Simone Tilmes, Rolf Moeller, and Ross Salawitch. The sensitivity of polar ozone depletion to proposed geo-engineering schemes. Science Express, April 24, 2008
The study was funded by the National Science Foundation, which is NCAR's principal sponsor, as well as by NASA and European funding agencies.
Adapted from materials provided by National Center for Atmospheric Research/University Corporation for Atmospheric Research.
原始報導：
1. ScienceDaily：Stratospheric Injections To Counter Global Warming Could Damage Ozone Layer
2. 美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research ，NCAR）：http://www.ucar.edu/news/releases/2008/ozone.jsp
原始論文：
The Sensitivity of Polar Ozone Depletion to Proposed Geoengineering Schemes. Simone Tilmes, Rolf Müller, and Ross Salawitch
Published online April 24 2008; 10.1126/science.1153966 (Science Express Reports)
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參考資料：
1. http://www.ucar.edu/communications/highlights/1998/particles.html
2. http://www.atmosphere.mpg.de/enid/3__Acid_Rain/-_What_is_it__zw.html
3. http://terra.nasa.gov/FactSheets/Aerosols/