麻省理工學院的研究人員在對流層上層不斷增加的臭氧中發現了人類的”指紋”。這項發現準確地指出了人類活動對這種強效溫室氣體的影響，使科學家們能夠更了解這些排放物的來源和方式。

臭氧的雙重角色：保護者與污染物

臭氧可以是一種有益的物質，也可以是一種有害的物質，這取決於它在大氣層中的位置。在平流層中，這種無色氣體可以保護地球免受太陽紫外線的傷害。但在離地面較近的地方，臭氧是一種有害的空氣污染物，會引發慢性健康問題，包括胸痛、呼吸困難和肺功能受損。

而在這兩者之間的對流層上部–平流層以下的大氣層，也就是大多數飛機巡航的地方–臭氧作為一種有效的溫室氣體，加劇了地球變暖。

有跡象表明，儘管許多國家都在努力減少臭氧在地表的來源，但對流層上層的臭氧仍在持續上升。現在，麻省理工學院的科學家證實，對流層上層臭氧的增加很可能是人類造成的。

人類對上對流層臭氧的影響

在最近發表在《環境科學與技術》雜誌上的一篇論文中，研究小組報告說，他們從2005 年開始的17 年衛星記錄中檢測到了人類影響對流層上部臭氧趨勢的明顯信號。

研究報告的第一作者、麻省理工學院地球、大氣和行星科學系（EAPS）的研究生於新元說：”我們證實，由於人類而不是氣候噪音的影響，北部中緯度地區對流層上層臭氧有明顯的增加趨勢。

“現在我們可以做更多的偵查工作，試圖了解是哪些具體的人類活動導致了這種臭氧趨勢，”合著者、地球、大氣和行星科學彼得-斯通和保拉-馬拉諾特-斯通教授阿琳-菲奧雷補充說。

這項研究的麻省理工學院作者包括塞巴斯蒂安-伊斯坦姆和朱勤旦，以及加州大學洛杉磯分校的班傑明-桑特、哥倫比亞大學的古斯塔沃-科雷亞、美國國家大氣研究中心的讓-弗朗索瓦-拉馬克和美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心的傑拉爾德-齊梅克。

臭氧分析面臨的挑戰

了解臭氧的成因和影響是一項具有挑戰性的工作。臭氧並不是直接排放的，而是”前驅”的產物–氮氧化物和揮發性有機化合物（VOC）等初始成分在陽光下發生反應形成臭氧。這些前驅物產生於汽車廢氣、發電廠、化學溶劑、工業流程、飛機排放物和其他人類活動。

臭氧是否會在大氣中停留以及停留多長時間取決於一系列變量，包括特定地區人類活動的類型和程度，以及自然氣候的可變性。例如，強烈的厄爾尼諾現象可能會影響大氣環流，進而影響臭氧濃度，而不管當年人類向大氣中排放了多少臭氧。

在自然變異中檢測人類影響

區分臭氧趨勢（尤其是對流層上層的臭氧趨勢）的人為和氣候驅動原因尤其棘手。使問題更加複雜的是，在對流層下層–大氣層的最底層，也就是最接近地面的一層–臭氧已經停止上升，在過去幾十年中，北部中緯度的一些地區甚至出現了下降。對流層低層臭氧減少的主要原因是北美和歐洲努力減少工業空氣污染源。

於指出：”在接近地表的地方，已經觀測到一些地區的臭氧減少，其變化與人類排放的關係更為密切。對流層上部的臭氧變化趨勢監測較少，但似乎與地表附近的趨勢脫鉤，而且臭氧更容易受到氣候多變性的影響。

氣候噪音中的人類訊號

研究人員希望知道，由人類活動直接造成的臭氧濃度中的人類”指紋”，其強度是否足以在對流層上部的衛星觀測中檢測到。要看到這樣的訊號，研究人員首先要知道要尋找什麼。

為此，他們對地球氣候和大氣化學進行了模擬。根據氣候科學中開發的方法，他們推斷，如果他們能夠模擬最近幾十年中可能出現的若干氣候變化，所有這些變化都有相同的人為臭氧前體排放源，但每種變化的起始氣候條件略有不同，那麼這些情景之間的任何差異都應歸因於氣候噪音。據此推斷，在對模擬情境進行平均時出現的任何共同訊號都應歸因於人為因素。那麼，這種訊號就是揭示人為臭氧的”指紋”，研究團隊可以在實際的衛星觀測中尋找這種”指紋”。

考慮到這一策略，研究小組使用最先進的化學氣候模型進行了模擬。他們運行了多種氣候情景，每種情景都從1950 年開始，一直持續到2014 年。

透過模擬，研究小組在各種情況下都發現了一個清晰而共同的信號，他們將其確定為人類指紋。隨後，他們研究了從美國太空總署Aura 衛星上的多個儀器中提取的對流層臭氧產品。

“老實說，我以為衛星資料會太吵雜，”菲奧雷承認。 “我沒想到這種模式會夠強大”。

但是，他們使用的衛星觀測數據給了他們一個足夠好的機會。研究團隊查看了從2005 年到2021 年的衛星產品得出的對流層上部臭氧數據，發現他們確實可以看到模擬預測的人為臭氧訊號。這一訊號在亞洲上空尤為明顯，近幾十年來，亞洲的工業活動顯著增加，充足的陽光和頻繁的天氣事件將污染（包括臭氧及其前體）帶到了對流層上部。

模擬和衛星資料的啟示

團隊目前正在尋找導致對流層上層臭氧增加的具體人類活動。

「這種成長趨勢來自哪裡？是汽車引擎和發電廠燃燒化石燃料產生的近地面排放嗎？是在對流層上層飛行的飛機嗎？是野地火災的影響？還是以上所有因素的綜合影響？」菲奧雷說。 “能夠將人為影響與自然氣候變遷區分開來，有助於制定應對氣候變遷和空氣污染的策略。”

這項研究得到了美國國家航空暨太空總署的部分資助。

參考文獻：餘新元、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，《環境科學與技術》，”從衛星取得的對流層上部臭氧趨勢中可探測到人為指紋”。

DOI: 10.1021/acs.est.4c01289

編譯自/ ScitechDaily