文章轉載自“格緻論道講壇”
平流層的風速非常大，
大到什麼程度？
比地球上所有台風和飓風的風速還要大。
魏 科· 中國科學院大氣實體研究所副研究員
格緻論道第44期| 2019年9月9日 北京
平流層在哪裡呢？大家擡頭，越過天花闆再往上看，大概10千米～50千米的範圍叫作平流層。
平流層一般在我們能看到的所有雲的上方，那塊藍色的地方。因為這裡沒有太多上升和下沉的氣流運動，空氣主要以水準流動為主，非常适合飛機飛行，是以我們把它稱之為平流層。
▲ 平流層（stratosphere）的位置
平流層的大氣沒有太多上升運動和下沉運動，是以這裡也沒有太多的天氣現象。可能有的朋友就會說，沒什麼太多現象，研究它還有什麼用？
實際上，平流層跟我們的生活息息相關，尤其是位于20千米～30千米之間的臭氧層。有一些愛美人士對臭氧和臭氧相關的紫外線又愛又恨。
平流層的運動狀況有一些很奇怪的特點。比如說，它大概有半年時間都是東風環流，另外半年大概是西風環流。是以，如果夏季你從北極的上空看，會看到一個順時針環流；到了冬季，就會看到一個逆時針環流。
平流層的風速非常大，大到什麼程度？比地球上所有台風和飓風的風速還要大。是以在冬季的時候，平流層有非常強的西風，會把全球最冷的空氣禁锢在北極地區。
大家看下方靠左的兩幅圖，冬季時平流層的渦旋形狀和夏季時的不太一樣，夏季很規則，冬季不大規則，動不動還會發生一些扭曲、變形。
▲ 極端冷空氣的發動機
而當發生扭曲、變形的時候，就代表着有低層的冷空氣活動。是以，我将平流層比喻為“極端冷空氣的發動機”。
2016年的冬天非常冷，被稱之為“霸王級寒潮”。如果在“霸王級寒潮”發生前一周或者前兩周去觀察平流層，就看到第三幅圖這樣的情景：整個極渦被扭曲變形，冷空氣源源不斷地噴湧而出。
2019年1月份的北美超級寒冷，感覺一下子進入了冰河時代。這是因為1月份，北極極渦的中心被分裂，一直偏到了北美的上空，是以才造成了北美的天氣異常寒冷。是以，我将平流層比喻為“全球冷空氣，尤其是極端冷空氣的發動機”。
▲ 它是極端冷空氣的發動機，
是一把無處不在的遮陽傘、氣候變化的放大器
除此之外，平流層還給我們撐起了一把無處不在、無時不在的大傘。平流層還可以放大氣候的變化。
地球上能接受到的最多的宇宙輻射就是太陽光。大家都覺得太陽光又溫暖，又純淨，又明亮，實際上，太陽光裡包含了很多人類肉眼看不見的光線，比如紫外線。
▲ 太陽光的色散
按照波長由長到短來劃分，紫外線可以分為UVA、UVB和UVC，其中UVC是最危險的紫外線。在UVC的長期照射下，沒有任何生命可以存活。我們經常聽到紫外線消毒燈、黑光燈，其實這種燈發出來的光線就是肉眼看不見的UVC，它可以用來消毒、殺菌。
UVB會帶來什麼影響呢？在UVB的長期照射之下，人容易得皮膚癌和白内障，每年全世界因皮膚癌而死亡和因白内障而失明的人都非常多。
至于UVA，很多愛美人士都非常痛恨它，因為在UVA的照射下，皮膚很容易變老、變黑、長皺紋，而變老首先就是從皮膚開始的。
好在人類非常幸運，因為頭頂的平流層就像一把大傘，它無處不在、無時不在地保護着我們。
▲ 平流層隔絕UVC、UVB、UVA
位于20千米～30千米的臭氧層可以隔絕100%最危險的UVC，隔絕90%的UVB，隔絕50%的UVA。是以，能夠到達地球表面的紫外線隻是紫外線中的一小部分。
當然，還是有一部分紫外線會到達地球表面，我們怎麼抵抗它們呢？我們有很多防曬産品，以護膚品為例，如果瓶身上标注着“PA+++”或者“PA++++”，這就說明産品中含有抵抗UVA的成分；如果瓶身上标注着“SPF30”或“SPF50+”等字樣，就說明它能抵抗UVB的傷害。
是以，所有的愛美人士應該全盤阻擋UVA和UVB。在購買相關産品時，一定要看看它是否有PA和SPF的雙重保護。
臭氧層破壞引發的環境危機
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大家是不是覺得頭頂的臭氧層一直就在那兒？其實，如果考察地球的曆史就會發現，臭氧層形成的時間并不是特别長，大概隻有6億年。
距今6億年前，地球上空形成了一個濃度大概隻有現在1/10的臭氧層，有了這個臭氧層之後，地球表面才變得安全起來。
可能有人會說，大概40億年前地球上就有了生命，既然地球表面這麼危險，那些生命都在哪裡呢？在漫長的40億年時間裡，所有的生命都匍匐在深海裡，因為海洋表面和地球表面太危險了。
是以如果你能穿越，一不小心穿越到8億年前的話，你看到的地球表面一定是光秃秃的，沒有鳥語花香，沒有飛禽走獸，紫外線毫無遮攔地照射在地球表面。
當臭氧層在約6億年前形成之後，地球表面才開始變得安全起來。這時期的地球發生了一件波瀾壯闊的事情——“寒武紀大爆發”。
大概5.4億年前，地球上突然湧現了各種各樣的生物。原來生活在深海裡的生物，因為活動空間受限，所能獲得的能量也非常有限。而現在，海洋表面和陸地都變得安全起來，這一下就開拓了生命進化的領域。
所有的生命從深海到淺海，然後從淺海到陸地。是以我們才說，陸地上的生命隻有約4億年的曆史。相比地球46億年漫長的曆史，人類真的非常幸運，我們沒有長期潛伏在黑暗裡。
進入寒武紀生命大爆發之後，地球上的生命種類開始急劇增加，出現了各種各樣的大型動物，比如恐龍。恐龍稱霸地球的時間曾長達1.6億年，正是在陸地變得安全之後，它才有了生存的空間。
▲ 影片《侏羅紀公園3》中霸王龍咆哮的片段
在地球漫長的曆史中，人類不過占據了一瞬間，卻很幸運地走到了今天。而如果沒有頭頂那把“保護傘”，我想所有的生命一定會非常簡單，一定還是要繼續隐藏在深海裡。
▲ 8萬年前人類走出非洲
是以，如果我們要去尋找一個宜居星球，首先就要考慮它有沒有水；其次，它有沒有合适的大氣層；再次，它的大氣層裡有沒有臭氧層。
可惜自從發現了平流層和臭氧層，人類就經常做一些破壞性的事情。人類在1902年發現了平流層，1913年發現了臭氧層，後來就開始發明各種化合物，把它們輸送到平流層裡去，經過大氣環流後開始破壞臭氧層。這些化合物是什麼？主要是氟利昂。
▲ 破壞臭氧層的各種化合物
比如，往冰箱裡面加氟，空調裡面加氟；老式滅火器裡面噴出來的那種泡沫；做頭發造型用的發膠，這些物質都是破壞臭氧層的物質。
1984年，科學家們在南極發現了巨大的臭氧洞，這個臭氧洞有多大呢？2000年，它的面積約為2700萬平方千米；2018年，它的面積約為2300萬平方千米。當然這個臭氧洞并不是一個真正的洞，隻是說它的臭氧密度值比正常的要小很多，像一個洞一樣。
▲ 南極臭氧洞的變化
正常的臭氧密度應該是300個多布森機關，可是在1994年的時候，南極臭氧洞的中心數值最小隻有92個多布森機關，即使到2018年，它的數值也隻有112個多布森機關，僅相當于正常值的1/3。一把破了2/3的傘，我們卻希望它給我們提供足夠的保護，這顯然不現實。
▲ 南極臭氧洞的中心數值變化
20世紀80年代，臭氧洞被發現引起了全球嚴重的恐慌。臭氧是全球所有生物生存下去的基礎，現在卻遭到了嚴重破壞。
▲ 危機與應對
是以從20世紀80年代開始，所有的科學家和政治學家都開始參與讨論，所有國家都開始參與行動，大家簽署了一些公約和議定書，其中就包括1985年的《保護臭氧層維也納公約》，以及1987年在加拿大東部城市蒙特利爾簽訂的《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》（以下簡稱議定書或《蒙特利爾議定書》）。
這個議定書決定從1989年1月1日開始停止生産、銷售和使用危害臭氧層的最嚴重的5種氟利昂物質和3種哈龍物質。
現在，冰箱和空調裡加的氟利昂，噴的發膠，牆壁隔熱層裡的泡沫材料等，都已經被完全替換成了不破壞臭氧層的新材料。
從1989年到現在，整整30年了，我們避免了一個最壞的結果。如果沒有這30年全世界的共同努力，臭氧洞将越來越大；而經過這30年的努力，臭氧洞已經被控制在沒有繼續惡化的程度。現在基本上已經進入到我們稱之為觸底反彈的階段，正在慢慢恢複。
▲ 1980-2025年，臭氧層的變化
當然，病來如山倒，病去如抽絲。臭氧洞大概要到2060年才能恢複到20世紀80年代的水準，到2100年才能恢複到20世紀60年代的水準。
大家可以想一想，臭氧洞完全恢複的時候，你多大年齡？是以，在座的所有人今生都生活在一個故事裡，這個故事叫做“恢複重建”。
當然了，對于臭氧洞危機的應對也展現了人類還是可以團結一緻做一些事情的。我們人類是有責任的，有擔當的。聯合國前秘書長科菲·安南先生稱：“我們簽訂的《蒙特利爾議定書》是迄今為止最成功的國際協定。”
成功到什麼程度？聯合國下屬的196個會員國和地區（截止到2011年，聯合國共有193個會員國，兩個觀察國，連同歐盟）全部加入了這個議定書，并且認真執行了議定書的決議，停止生産、銷售和使用所有破壞臭氧層的物質。
這是一個非常成功的進展。這也啟迪我們，面對未來的環境危機，人類還是可以有所作為的。
平流層是氣候變化的放大器
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平流層不僅跟臭氧變化有關系，而且還會放大各種自然過程的影響。比如說，我們最近做了一些瘋狂的實驗，模拟在臭氧恢複的過程中（比如2050年或2100年），突然發生了一次曆史上從來沒有過的超級火山爆發。
▲ 超強火山的影響（全球平均值）
模拟實驗告訴我們，如果真的發生了這樣的火山爆發，那麼臭氧的損耗依然會達到一個非常嚴峻的程度。是以，我們目前必須要加快臭氧恢複的程序。
超級火山爆發會不會影響整個全球的氣候變化呢？其實這樣的事情在地球上曾經發生過。印度尼西亞有一個叫多巴的火山，它現在是一個湖，但曆史上它是一個火山口，南北長100千米，東西寬35千米，一個巨大無比的火山口。
▲ 超級火山：平流層的超級影響力
大約7.4萬年前，多巴火山發生了非常強大的噴發，火山灰被噴射到了平流層，因為平流層裡的大氣是水準運動的，是以火山灰彌漫到了整個平流層裡面，阻擋住了太陽的輻射，造成地球表面的巨幅降溫。
▲ NASA Landsat satellite image（左）
Toba catastrophe theory（右）
科學家們對這次火山爆發有不同的看法，但是所有人都同意，這次火山爆發給當時的物種發展造成了非常壞的影響。比如說，它将人口數量降到了隻有1萬～3萬，基本上把人類逼到了滅絕的邊緣。
現在很多科學家還用這次災害來解釋為什麼人類的基因比較單一，包括很多動物和植物的基因比較單一，因為很多動植物都在這次災害中滅絕了。
當然，超級火山爆發的頻率很低，可能好幾萬年甚至幾十萬年、上千萬年才能發生一次，但強度稍小一點的火山爆發破壞力也很大。
1815年印度尼西亞的坦博拉火山發生了爆發，那次火山爆發的強度是七級。火山爆發之後，火山灰以及各種硫酸鹽被噴射到了平流層，随着平流層的水準風，這些物質彌漫到了全球，阻擋了太陽的輻射。因為平流層裡有很多小顆粒，它們會散射太陽光，是以很長一段時間，天空都是紅色的。
在大家的常識裡，一般刮風下雨後，天會變成藍色；但在那段時間，即便刮完風下完雨，天空依然是紅色的。英國風景畫家Turner曾畫了兩幅畫，一幅是火山爆發前的景象，一幅是火山爆發後的景象。
▲ 火山爆發前（左），火山爆發後（右）
從中我們能夠鮮明地感受到，火山爆發後的紅色天空是那麼猙獰。這次火山爆發發生在印度尼西亞，但火山灰彌漫到了全球，影響了全球的氣候。
再比如1816年，全球很多地方都非常冷。冷到什麼程度？根據新聞記載，6月6日的紐約還在下雪，7月賓夕法尼亞的湖裡面還有冰塊，夏天還沒來，秋天就來了。
那一年整個歐美的糧食都減産了，歐洲大饑荒一共造成20多萬人死亡。如果大家對中國曆史感興趣，可以去查一查相關資料，1816年安徽和江蘇的很多地方都有夏天飄雪的記載。
是以，平流層的影響可以放大整個氣候的過程，把局地過程變成全球的氣候過程。
全球可能出現的氣候過程還有什麼？核冬天。
▲ Nuclear winter
如果發生全球性核戰争，可能就會引起核冬天。核冬天的意思就是，核武器會讓易燃物燃燒産生的黑煙（黑碳）被噴射到平流層，然後彌漫到全球，阻擋太陽輻射，引起地面降溫，使地表呈現嚴寒如冬的天氣。
當然了，這個理論在20世紀80年代提出後，對全球産生了非常大的影響。現在和平的力量非常強，已經不可能發生非常大的核戰争，但是一些小的核戰争的風險依然存在。
是以科學家們又做了一個瘋狂的實驗：模拟一場小型核戰争。比如印度和巴基斯坦兩國因為某種原因發動了戰争，印度投了50枚核彈頭，巴基斯坦也投了50枚核彈頭，100枚核彈頭引起100場大火，100座城市是以毀于一旦。
▲ 一場100枚核彈的“小”戰争
當然，如果美國和蘇聯兩國發動戰争，那麼這一模拟戰争的規模就小多了。模拟實驗中的核彈頭都很小，隻有1.5萬噸TNT當量，相當于“二戰”時美國投到日本廣島的原子彈“小男孩”的當量。
但即便是實驗中模拟的小型核戰争，也會向全球注入大概500萬噸的黑碳。它們進入平流層之後，會在半年之内迅速彌漫整個平流層，從南極到北極，阻擋太陽輻射。
▲ 黑炭氣溶膠的品質混合比随時間和高度的演變圖
因為平流層裡的大氣以水準運動為主，空氣很穩定，是以即使10年以後，大氣裡大概還會有110萬噸的黑碳，它會造成全球性的氣候影響，最主要的展現就是會影響農業。
科學家們模拟的結果顯示，沒有參與戰争的美國和中國的農業也會受到嚴重影響：在戰争爆發的第一個5年裡，中國的冬小麥減産可能會達到40%，春小麥減産大概會達到35%；美國的玉米減産大概達到20%。
▲ 印巴核戰争10年前後農業生産變化對比
第二個5年裡，美國的玉米和大豆的減産大概是10%；中國的糧食減産大概是15%～25%。
很多研究國際政治的人應該知道，農作物如果減産到這種程度，一定帶來的是全球糧食危機，物價飛漲，這對窮人的影響是最大的。
如果戰争規模再大一點，變成1000枚核彈頭呢？全球現在有10000多枚，最多的時候有70000多枚核彈頭。
如果有1000枚核彈頭爆炸，大概會有5000萬噸的黑碳被噴射到平流層，全球氣溫将降低3℃左右；如果爆炸的核彈頭數量增加到3000枚，全球氣溫将降低7℃左右。
▲ 核彈頭爆炸對全球氣溫産生的影響
現在全球的平均氣溫是15℃，如果降低7℃，那就直接從15℃度的春天到大概8℃的冬天了。一個真真實實的核冬天就會來臨。是以，我們頭頂的平流層對我們非常重要，它可以放大各種或人為或自然過程造成的氣候影響。
總結起來，平流層是全球極端冷空氣的發動機。同時，它提供給我們一把無處不在、無時不在的遮陽傘，使地球變得更為宜居。
它給我們的啟示是，未來如果我們要尋找一個宜居星球，那一定要考慮這個星球的大氣是什麼樣的，它有沒有平流層，平流層裡面有沒有臭氧層。
▲ 未解之謎
平流層也促使其他學科去思考，在地球漫長的曆史中，各種滄海桑田的變化，各種古氣候的變化，各種生物的誕生和大滅絕，平流層是不是都起到了很重要的放大作用。
聽完我的講解，希望大家出門擡頭看天的時候，望見雲彩之上的層次，會有更多的思考。
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