他曾讓NASA和衛(wèi)星探測陷入尷尬
——記發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的英國科學家法曼

Th 賈朋群

他曾讓NASA和衛(wèi)星探測陷入尷尬
——記發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的英國科學家法曼

Th 賈朋群

如果有人問20世紀最重要的大氣探測發(fā)現(xiàn)是什么？很多人會提及南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)。如果再問20世紀科學界和國際社會最完美的合作有哪些？更多的人會列舉出南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)、研究和1995年人類保護臭氧層的《關于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的出臺。而這一切，都與2013年5月11日不幸去世的英國學者法曼（Joseph Charles Farman，圖1）有密切的聯(lián)系。正是他，僅僅依靠對英國南極站一個點的臭氧觀測資料的分析和推斷，在1985年和同事一起提出了南極臭氧洞的存在，從而加快了科學家對人類活動破壞大氣臭氧層的過程和嚴重程度的認識，并成功促成國際社會采取了還算及時的應對措施。而在世界科學共同體中，法曼和他的同事，通過對單站資料的嚴謹分析，不僅揭露了一個重要的大氣層觀測事實，而且，這樣一個事實，是因為各種原因一直被埋沒在掌握最多大氣層衛(wèi)星探測資料的NASA的資料庫里的事實。這一過程也讓人們時常思考：當大氣探測已經(jīng)進入衛(wèi)星時代的時候，科學家們面對海量數(shù)據(jù)最需要思考和實踐的到底是什么？也許法曼批評管理者在觀測和模式模擬研究資源分配不合理的話，應該不時讓我們想起：“現(xiàn)在有太多的錢投到氣候模擬，而在基本科學觀測上投入不足，有太多的變量計算機是不可能給出準確預報的……”

圖1 英國科學家法曼（Joseph Charles Farman，1930—2013年）

法曼和他的同事，通過對單站資料的嚴謹分析，不僅揭露了一個重要的大氣層觀測事實，而且，這樣一個事實，是因為各種原因一直被埋沒在掌握最多大氣層衛(wèi)星探測資料的NASA的資料庫里的事實。

一、觀測會說話

1930年8月7日，法曼，出生于英國中部小城諾里奇。法曼的父親是一位個體建筑師，母親是護士，這位住在父親親手建造的家中，從小就喜歡數(shù)學，熱衷于擺弄無線電設備的淘氣男孩，后來在諾里奇有名的高中——愛德華國王中學接受高中教育時，迷上了一本高中生很少涉及的書，講述相對量力論的《基本理論》。正是這本書，讓法曼意識到，人類對自然的認識，是沒有疆界的。也許正是受到這本書的啟發(fā)，后來法曼在劍橋讀大學時，選擇了數(shù)學和自然科學專業(yè)。1953年大學畢業(yè)后，他先在一家公司工作了3年，1956年進入位于劍橋的英國南極局的前身福克蘭島調(diào)查局擔任科學官員。在他進入南極局后不久，就趕上了國際地球物理年（IGY）大規(guī)模觀測活動，法曼隨即被派往南極法拉第站度過了兩個冬季，從1957年3月到1959年3月。1958—1959年，他還擔任南極站長。在南極，他的主要任務，是監(jiān)督在南極開展的所有物理觀測項目。在法拉第站的2年多時間里，法曼目睹和實踐著人類對地球環(huán)境的監(jiān)測活動，以及各種監(jiān)測手段的升級換代，他還親自用Dobso光譜儀，在南極開展了最初的臭氧層觀測，這樣的觀測活動，為他日后的重點觀測發(fā)現(xiàn)埋下了伏筆。

經(jīng)過了初期學科快速發(fā)展和中期進入衛(wèi)星探測時代的輝煌，到了20世紀晚期，國際地學界似乎進入一種平靜期，大規(guī)模的探索在有條不紊地部署中，令人振奮不已的事情有些漸行漸遠，或者說難以企及。在這樣的背景下，當1985年5月16日，法曼和他的同事（圖2）在Nature雜志上發(fā)表了關于發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的論文時，不僅贊譽難見，還招來了大氣科學界乃至更多領域?qū)W者的驚異和隨后而來的質(zhì)疑聲。一時間就像平靜的環(huán)流突然生成了一個活力無比的氣旋，正在攪亂已經(jīng)建立的秩序。為什么？怎么可能是這樣？或者，即使是這樣，難道NASA不清楚嗎？

這樣的反應，一方面源于科學界早就注意到了大氣臭氧層和人類活動可能的關系，因此對臭氧層的觀測并找尋其是否在減少的努力被很多人知曉。科學家們致力于對平流層環(huán)流和化學過程進行研究，并用建立的模式模擬臭氧的變化。但是這些主要由日光驅(qū)動的平流層化學反應的模式，都沒有指出在南極會出現(xiàn)臭氧層的異常。而且，那時人類對平流層臭氧層的影響，多數(shù)人想當然地期待先在白天的熱帶平流層中發(fā)生的化學反應體現(xiàn)出來，而極地平流層低層是排在第二位的

區(qū)域，而且要在沒有紫外線的黑夜里才有可能。極區(qū)甚至被看作是化學反應惰性區(qū)域。模式模擬結果主導的結論讓科學家們似乎很樂觀：人類影響帶來的臭氧減少可能僅有2%～3%，這樣小的比例甚至很難探測得到。

質(zhì)疑的另一方面，也許更為重要的是，為什么Nature的文章僅來自一個英國位于的南極陸地觀測站？言外之意是，世界上已經(jīng)建立了200多個臭氧探測站，即使是在南極，也有17個臭氧測站，這些站大多在1957—1958年國際地球物理年后建立起來，累計觀測了相對較長的時間，如果有臭氧含量的顯著下降，不該，也不會只有一個站有記錄數(shù)據(jù)。更為匪夷所思的是，人類已經(jīng)進入衛(wèi)星大氣探測時代，NASA的衛(wèi)星早就開始了全球臭氧探測，關于大氣臭氧層變化的最早、最權威和最全面的信息，難到不該出自那里嗎？然而，這些質(zhì)疑聲中，對于作者而言，最有“分量”的是：既然論文給出的數(shù)據(jù)說明南極臭氧在春季的減少早在1977年就出現(xiàn)了（圖3），為什么8年以后才發(fā)表文章？作為一種變化趨勢的揭示和分析，如果臭氧僅僅是在南極，在春季，突然在1976或1977年開始減少，那么資料累計到1980年就基本可以確認，1981年，最遲1982年就可以發(fā)表的文章為什么耽擱了這么長的時間，作者們在干什么？

圖2 法曼（左1）和1985年Nature雜志關于南極臭氧減少的論文另外兩位作者（Brian Gardiner（中）和Jon Shanklin（右））在一起

二、會讓觀測說話的法曼

作為Nature論文第一作者的法曼，他在英國南極局以對科研工作認真和相對保守而著稱，但是在國際大氣科學界，在20世紀80年代中期卻鮮有人知道其人。面對質(zhì)疑聲，天生嚴謹且著重于細節(jié)的法曼并沒有過多辯解。而1986年NASA科學家同樣在Nature上發(fā)表的基于Nimbus-7衛(wèi)星觀測得到的南極春季臭氧減少的論文（圖4），更是讓很多質(zhì)疑者為法曼的睿智和探索精神而擊掌，后來逐漸被人們所知曉的法曼發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的細節(jié)，在被人們津津樂道的同時，也帶給科技界更多的思考。

在IYG期間全球地面臭氧觀測站網(wǎng)建設的熱潮，隨著IGY的結束而逐漸冷卻。很多站后來在人員和儀器，特別是儀器校準等方面，都無法得到資金保障。這使得很多站只能間歇和不定期地報告臭氧觀測結果。這一情況到了20世紀70年代初，因為估計到臭氧可能減少而略微有所好轉(zhuǎn)，一些新的臭氧觀測站加入全球站網(wǎng)，填補了一些癱瘓或半癱瘓站帶來的空白。但是在南極地區(qū)，臭氧站大多位于南極圈以外，高緯度站除了英國哈雷灣站以外，法國的迪蒙?迪維爾站那時正處于關閉狀態(tài)，蘇聯(lián)南極站因惡劣天氣也處于找尋新站址的觀測不穩(wěn)定期，美國位于南極點的南極站，其觀測每每到關鍵時刻就出現(xiàn)儀器問題，這些因素都讓英國南極站的臭氧觀測，成為揭示新現(xiàn)象最為珍貴的渠道。

在衛(wèi)星臭氧觀測方面，雖然那時衛(wèi)星每天可以收集覆蓋全球的大約14萬個觀測數(shù)據(jù)，但是由于當時計算機數(shù)據(jù)處理的水平相對低下，衛(wèi)星臭氧觀測數(shù)據(jù)先要經(jīng)過質(zhì)量控制處理，之后被記錄到數(shù)據(jù)磁帶上交給感興趣的科學家進一步處理。由于那時候還沒有可以快速生成全球臭氧分布圖的軟件，獲取的數(shù)據(jù)磁帶大多被堆積在資料庫里。

圖3 英國南極哈雷灣站1975—1984年的臭氧觀測結果以及與1975年前臭氧含量均值（圖上部直線）和NASA“臭氧低值”閾值（圖下部直線）的對比

在南極其他站以及衛(wèi)星臭氧觀測過程中發(fā)生的情況，實際上也同樣發(fā)生在英國南極哈雷灣站。一方面，站上使用很長時間的臭氧觀測儀甚至需要在冬季蓋上羽絨被才勉強工作，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)些問題看來很“正常”；另一方面，因為南極站獲得的大量觀測數(shù)據(jù)中，臭氧資料沒有被英國南極局列為優(yōu)先處理、分析的資料（原因之一是當時科學界認為，平流層臭氧即使減少，也最可能先在赤道地區(qū)發(fā)生），因此在位于劍橋的南極局，臭氧資料進入計算機進行分析和歸檔就存在一個5～7年的“滯后

期”，即南極臭氧觀測資料磁帶在運回英國本土幾年以后，才會被集中處理。1981年，被積累了好幾年的南極臭氧原始資料，終于等到了被送入計算機按照程序進行處理和分析，計算機程序?qū)⒎止庥嬜x數(shù)轉(zhuǎn)化為實際臭氧含量并進行分析。而這個批次處理的資料，覆蓋了南極臭氧最初開始減少的關鍵年份。已經(jīng)出現(xiàn)幾年的南極春季臭氧減少，這時才被法曼真實地發(fā)現(xiàn)。盡管如此，法曼開始并沒有馬上確信這樣的結果，他首先想到的是控制南極春季的非常不穩(wěn)定和有時很難預測的環(huán)流型，以及伴隨的南極冬季極渦的爆發(fā)。他感覺，可能春季臭氧水平很不穩(wěn)定。法曼曾在此前的一篇論文里，闡述南極秋季臭氧變化最能代表全球臭氧含量的改變，因為南極秋季臭氧特別穩(wěn)定，很少受到其他因素的影響。面對資料顯示的春季臭氧快速下降，嚴謹?shù)姆矐岩捎^測儀器使用的時間太久，或許會發(fā)生問題。于是，法曼購置了一臺新的Dobson 臭氧儀，被帶到南極進行觀測。結果，轉(zhuǎn)年南極臭氧觀測結果給出了更低的結果。“這真的讓人發(fā)瘋”法曼回憶道，幾乎一半的臭氧不見了。他隨后讓自己靜下心來，系統(tǒng)梳理了1975年以來的南極各站臭氧觀測記錄，發(fā)現(xiàn)只有哈雷灣站出現(xiàn)下降，其他站并未受到影響。于是，轉(zhuǎn)年他又和他的團隊來到距離哈雷灣站西北1000英里①1英里約為1.609千米。的地方進行觀測，同樣發(fā)現(xiàn)了臭氧減少。這些觀測事實，以及從最早發(fā)現(xiàn)南極臭氧減少時，法曼就開始找尋南極春季臭氧減少的化學原因，并大膽推測氯氟烴（CFCs）——這種人為制冷劑是導致臭氧減少的罪魁，都堅定了他是時候?qū)⑦@一觀測事實發(fā)表出來信念。

在1984年底向Nature投送只有3頁多一點的論文前，法曼向自己提出了3個問題：（1）結果是否有至少另外一個春季結果證實變化趨勢？（2）是否對哈雷灣站光譜儀進行了再校準和更換以避免儀器帶來的虛假？（3）是否對為何NASA團隊還沒有注意到臭氧減少給出很好的解釋？

在回答這些問題時，法曼認為，哈雷灣站光譜儀的更換，完全排除了儀器問題，而三個季節(jié)的數(shù)據(jù)不僅肯定了異常，而且表明這種減少的趨勢還在繼續(xù)增強。遺憾的是，在試圖和NASA科學家取得聯(lián)系的時候，法曼無功而返。

法曼的論文于1984年12月24日送達Nature，后者排除眾議，以較快的速度于1985年3月28日接受，并在同年5月16日刊出。正是這篇經(jīng)歷了坎坷的文章，又一次讓全世界關注地球環(huán)境問題。

圖4 NASA學者1986年在Nature上發(fā)表論文，用衛(wèi)星資料證實了法曼的南極臭氧觀測結果

三、法曼帶給我們很多

法曼的科研經(jīng)歷，或許可以加上傳奇的標簽。他的離去，更讓我們看清楚了一位敬業(yè)學者的風貌。

1. 注重細節(jié)的同時，那份執(zhí)著更珍貴

首先，法曼一生科研經(jīng)歷表現(xiàn)出的最重要的品質(zhì)，就是注重細節(jié)并且執(zhí)著地堅持自己的主見。他和同事在1985年發(fā)表的轟動世界的論文，實際上幾近無法發(fā)表。其中，不僅有來自權威的NASA不經(jīng)意間的漠視，更有當時法曼的直接領導試圖阻止論文發(fā)表的態(tài)度。該領導在寫給英國氣象局的函件里指出：“這篇文章不能發(fā)表，因為如果他們的推理是錯誤的話將會讓人恥笑。”雖然目前我們還無法獲悉這一表態(tài)的具體情況，但是在20世紀后期國際科學界逐步走向中規(guī)中矩的場景時，在英國出現(xiàn)這樣的抑制創(chuàng)新性科研成果的情況，似乎并不難以理解。難得的是，法曼并沒有在發(fā)現(xiàn)臭氧減少的第一時間就發(fā)表，而是在兩次赴南極校準資料，并在大氣化學領域充分探索了臭氧減少的可能原因，從而更加堅信自己的觀測事實之后才提交論文。而Nature雜志也沒有盲從當時的所謂主流看法，從而讓這一開始并不被看好的結果改寫了人類認識環(huán)境的進程。據(jù)傳，日本南極站的科學家?guī)缀踝吡撕头耆嗨频穆肪€，即在日本南極站發(fā)現(xiàn)臭氧減少后，首先懷疑儀器問題，接著來回更換和重新標定儀器，甚至還在一定范圍內(nèi)展示了臭氧減少的觀測結果，但他們最終沒有在科技論文中闡述這一關鍵的科學事實。也許法曼和日本科學家，在面對原始觀測資料的謹慎態(tài)度上是相似的，但那份抓住細節(jié)的執(zhí)著和敏銳，讓具有更深厚的科

學探索傳統(tǒng)的英國學者占了上風。

也許全球氣象界乃至整個科學界，有很多整天和觀測儀器打交道的人，相比較而言，其中成功的人卻不多。就南極臭氧洞觀測而言，法曼和很多其他學者，特別是NASA握有衛(wèi)星觀測一手資料的學者無疑都等到了機會，這時只有法曼獲得了成功，就說明同是觀測，面對觀測結果，用心思考和執(zhí)著求解的不撓精神有多么珍貴。如果觀測者都是“公事公辦”地面對儀器讀取的數(shù)據(jù)，啟發(fā)人類進步的觀測事實的發(fā)現(xiàn)，就很難和觀測網(wǎng)的完善與觀測數(shù)據(jù)的驟增劃上等號。

2. 英國南極站觀測設計讓法曼能夠和NASA平等對話

1995年，也就是法曼發(fā)現(xiàn)南極洞的文章發(fā)表后10年，當年諾貝爾獎頒發(fā)給了提出平流層臭氧減少是受人類活動影響機理的兩位環(huán)境科學家和一位大氣化學家，人們沒有在諾獎名單中看到法曼的名字，不少人難以理解并為他鳴不平。實際上，法曼1985年的文章，其最寶貴，也最具有科學價值的內(nèi)容，是在給出臭氧減少的觀測事實之后，科學地預測了這一現(xiàn)象可能的原因。而法曼能夠給出南極臭氧減少是因為人為CFCs導致的推測，在很大程度上得益于英國哈雷灣南極站在建立臭氧觀測站時，同時開展了包括CFCs在內(nèi)的大氣痕量氣體的觀測，因此讓法曼等科學家不僅僅能得到臭氧觀測記錄，還能基于CFCs的記錄開展臭氧減少原因的分析。這一點從法曼1985年的論文中，用了很多篇幅給出了CFCs記錄的分析就不難發(fā)現(xiàn)，或許正是這樣的分析打動了期刊和論文評閱人。法曼等基于這樣的分析，果斷推論南極臭氧洞出現(xiàn)的原因是非自然的，而是人為的結果。法曼的工作無疑為科學家們，包括后來獲得諾獎的學者更好地揭示南極平流層臭氧減少的機制，打下了堅實的基礎。而法曼基于南極一個站的資料，就能給出相當全面的分析，無疑和哈雷灣站開展了持續(xù)、多要素的大氣成分觀測直接有關。法曼從1957年進入南極局一直到1990年退休一直從事南極觀測工作（他在1990年退休前，最后一次赴南極工作），則體現(xiàn)了科學家一生獻給科學觀測事業(yè)的奉獻精神。

3. NASA的教訓在21世紀更有現(xiàn)實意義

實際上，早在南極平流層臭氧維持正常的20世紀70年代初，科學家就提出了臭氧減少的猜想。但是，后來NASA科學家用衛(wèi)星探測資料否認了這一猜想，認為其與觀測事實并不符合。然而，另NASA懊惱的是，在法曼文章發(fā)表后，再次準備反擊的NASA卻發(fā)現(xiàn)，其衛(wèi)星資料不僅支持法曼的發(fā)現(xiàn)，在反復核查南極衛(wèi)星臭氧觀測結果后，更是補充說明在南極出現(xiàn)了一個與美國國土面積相當，并且還在不斷擴大的臭氧洞。如果說法曼發(fā)現(xiàn)了南極臭氧洞中一個點的深度，那么NASA就更完整地描述了這個洞的范圍之大，讓臭氧洞更加清晰和準確地展現(xiàn)在世人面前。僅僅是因為大意，讓更具資料優(yōu)勢的NASA沒能最早指出南極臭氧減少的事實。其中，NASA將臭氧減少的標準定得過低（圖3），使得其資料自動處理系統(tǒng)無法被激活并給出提示，是一個很重要的技術原因。還好，NASA就是NASA，他們在法曼發(fā)表南極臭氧洞論文后的同年8月公布了南極上空臭氧洞的衛(wèi)星觀測照片，為法曼文章的觀點提供佐證，1986年又同樣在Nature雜志上發(fā)表了支持前者觀測結果的文章（圖4），在平息了爭執(zhí)和讓不少圈內(nèi)人感動的同時，也讓人對NASA刮目相看。

然而，NASA當初的慣性、傲慢和忽視給科學界帶來的尷尬，在今天幾十、上百顆氣象衛(wèi)星在天上飛的所謂“大數(shù)據(jù)”時代，應該更具有警示意義。技術的進步也許不會再有資料分析的“滯后期”，多平臺的觀測結果，可以通過實時的多媒體顯示，讓科學家們可以用指尖容易地獲取。然而，正如NASA制定的臭氧低值的標準很不靠譜一樣，一切依靠機器和自動化的資料處理機制總存在弱點，永遠也無法百分百地替代“關注細節(jié)”和“有責任心”的科學家的工作。氣象科學的發(fā)展，無疑需要更多法曼式的負責任的科學家，甘于在資料的海洋里遨游（圖5），第一時間發(fā)現(xiàn)關鍵的科學事實，這樣才能讓多平臺觀測網(wǎng)建設的投入，發(fā)揮其應有的作用。

此外，在法曼發(fā)現(xiàn)南極臭氧洞的過程中，國際著名期刊Nature也功不可沒。Nature作為一份高度國際化的期刊，很難設想法曼論文的審閱者名單里，沒有來自NASA的專家，而即使是參與評審的英國本土專家，也不大可能會是一邊倒的贊揚聲（包括來自作者機構領導的懷疑）。但是期刊的編輯堅信，作者至少在揭示一個站的觀測事實上，是經(jīng)得住考驗的。面對這篇沒有任何基金資助的文章，期刊還是以較快的速度接受并刊發(fā)。更有意思的是，一年以后來自NASA科學家的文章，成功地將法曼文章揭露的科學觀測事實，從一個點升級到整個南極地區(qū)，從而止住了質(zhì)疑，轉(zhuǎn)向引導采取國際化行動的國際政治和科學探討，并最終促成了國際協(xié)議的簽訂和取得實效（鏈接-1）。

圖5 面對大量從南極返回的觀測數(shù)據(jù)，法曼的投入就是深入其中、關注細節(jié)

南極臭氧洞被發(fā)現(xiàn)的過程，讓我們認識了法曼，見證了科學家必須面對的種種挑戰(zhàn)，即使到了晚年，法曼念念不忘的，還是第一手觀測（圖6）。在大氣層觀測技術

走向成熟，特別是衛(wèi)星氣象觀測已經(jīng)業(yè)務化的時候，南極臭氧洞的發(fā)現(xiàn)匪夷所思地被延緩了數(shù)年，確實給氣象界，乃至全球科技界帶來了很好的警示，需要汲取的教訓耐人尋味。最新的觀測顯示，南極臭氧洞正在緩慢恢復，但是因為已經(jīng)進入大氣層的CFCs的長生命期，要到大約2070年才能恢復到其1975年以前的水平。也許逝去的法曼會帶著一份無法看到南極臭氧洞復合的遺憾，但他的精神和事業(yè)，無疑會激勵著更多后來人。

圖6 2011年，法曼在英國南極局操作Dobson光譜儀

本文由2012年中國科學技術協(xié)會學會能力提升專項（優(yōu)秀科技社團獎）項目資助。

（作者單位：中國氣象局氣象干部培訓學院）

深入閱讀

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鏈接-1 《蒙特利爾議定書》的力量：0.1℃

1987年9月16日開始簽署，1989年1月1日起生效的《蒙特利爾議定書》可能是最成功的國際環(huán)境協(xié)議，它有效地抑制了臭氧消耗物（ODSs），例如碳氟化合物（CFCs）和氫氯氟碳化合物（HCFCs）的生產(chǎn)和消費。而氫氟碳化物（HFCs）不破壞平流層臭氧，被認為是ODSs的長期替代物，并沒有包括在協(xié)議中。但因為大多數(shù)HFCs 是高效溫室氣體（GWP），因此《京都議定書》對其進行了限制。盡管如此，《蒙特利爾議定書》對CFCs、HCFCs等的限制已經(jīng)有效控制了ODSs的輻射強迫作用。圖a中顯示，如果沒有蒙特利爾條約，ODSs產(chǎn)生的輻射強迫在2010年可能會達到0.60～0.65W/m2。而在未來如果可以修訂《蒙特利爾議定書》控制HFCs，將能進一步保證其帶來的氣候效益。

IPCC最新的氣候變化評估報告（AR5）更加肯定了人類活動對全球變暖帶來的影響，同時IPCC致力于回答影響決策的科學研究到底能否改變什么，顯然《蒙特利爾議定書》不容置疑地提供了正能量。圖b中描述了《蒙特利爾議定書》通過約束CFCs對全球變化趨勢起到的明顯減緩作用。不同要素影響著地球能量平衡，其中包括大氣甲烷（綠線）和CFCs等其排放受到《蒙特利爾議定書》限制的氣體濃度（藍線）。所有要素共同決定了總的不斷變化的輻射強迫（紅線），而《條約》的執(zhí)行拉低了CFCs濃度和輻射強迫（虛線為沒有條約的情景）（圖b1）的同時，也改變了溫度升高的進程（圖b2，能量平衡模式模擬結果，紅線為溫度變化，其他同圖b1），即《蒙特利爾議定書》讓溫度幾乎降低了0.1℃，圖中方塊給出觀測到的年均溫度及其與模式溫度的偏移 。