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漫步于我国臭氧观测的历史长河 来源:中国气象报 日期:2019年09月16日15:55

  中国气象报记者张格苗

  ■两名法国传教士和第一代测量大气臭氧总量的仪器

  1936年9月9日至11日,牛津大学举办了一次世界大气臭氧会议。来自上海佘山天文台的两位法国传教士Father L.Dumas和Father P.Lejay 代表中国出席了这次会议。

  当时,徐家汇观象台为扩展科研业务于1901年在佘山山顶、原天主教圣母堂东侧建立的那座圆顶天文台已经开始测定高空臭氧总量了。佘山天文台用的是第一代测量大气臭氧总量的仪器——Féry摄谱仪。这种摄谱仪,英国牛津大学从1924年到1926年共制造了5台,第一台目前存放于英国伦敦科学博物馆。

Féry摄谱仪。中国气象科学研究院研究员郑向东摄于加拿大环境局

  Féry摄谱仪的前身是世界上最早的臭氧总量光谱仪——Fabry-Buisson臭氧光谱仪,后者由法国科学院院士夏尔·法布里和布桑联合发明。1919年,法布里第一次用自己的光谱仪测定了大气中臭氧层的“厚度”:在标准状况下,如果将大气中所有臭氧均匀铺在地球表面,其厚度将为3毫米。这一结果在今天看来与全球平均值惊人一致。

  到1921年,英国牛津大学科学家多布森(G.M.B.Dobson)等发现平流层温度随高度升高而升高,这与对流层情况恰恰相反,他们断定其能量来源正是臭氧吸收的太阳紫外辐射。1924年测量臭氧总量的第一台Dobson光谱仪诞生。从上世纪20年代末至今,Dobson光谱仪在全球多个地方进行臭氧总量观测。为了纪念多布森在臭氧测量方面做出的杰出贡献,大气臭氧总含量的厚度用其名字Dobson作为单位(即DU)来表示。在标准大气压下,1DU=10-5米。  

  ■严济慈及其影响三十年的照相光度术方法

  也是同一时期,严济慈(中国现代物理学研究工作的创始人之一、中国光学研究和光学仪器研制工作的奠基人之一)正在法国留学。1925年7月,在巴黎大学的夏季考试中,严济慈拿下三门主课(微积分、理论力学和普通物理)文凭,其中普通物理名列第二,获得巴黎大学硕士文凭。

  当时,还未当选法国科学院院士的夏尔·法布里教授是严济慈普通物理口试的主考官。因苦恼作何选择,严济慈请教法布里。在问了严济慈几个问题后,法布里说:“你就到我的实验室来工作吧。”就这样,在巴黎大学理学院法布里的实验室,严济慈开始了物理学研究。

  1930年,严济慈回国。彼时,南京国民政府先后设立了全国最高综合性学术研究机构——中央研究院,以及国内最大的地方综合性学术研究机构——北平研究院。在位于东皇城根42号的北平研究院物理研究所,严济慈一直安心做科学研究,直到1938年。

  严济慈回国前一年春天,巴黎臭氧会议决议要重新精确测定臭氧层紫外吸收系数。严济慈在钟盛标的协助下,于1932年采用照相光度术方法,精确测定了臭氧在全部紫外区域(215-345纳米)之吸收系数,并发现若干新的光吸收带。1933年,法国两位科学家利用严济慈的研究成果进行研究,证实了严济慈发现的那些新的光吸收带。后来,世界各国气象学家均利用严济慈的研究成果测定高空臭氧层厚度变化,长达二三十年之久。

  20世纪50年代以后,大气中臭氧的测量研究成为大气物理学的一个重要课题,测量中增加考虑高空臭氧层温度梯度变化的因素,但其方法还是基于30年代严济慈的研究成果。

  ■赵九章及风云卫星上的传承

  1935年,另一位赴德国留学的大学生赵九章后来成为我国气象动力学、地球物理学、空间物理学的奠基人。当时,德国高空气象探测世界领先,赵九章敏锐地意识到平流层和空间科学对天气、气候的重要性。新中国成立后,赵九章主导组建中国科学院地球物理研究所,并于1950年起任该所研究员、所长,而后恢复了中国的平流层臭氧观测。一开始,臭氧观测用的是佘山天文台的Féry摄谱仪,后来又修复了严济慈先生1938年购置的编号为#003的Dobson光谱仪。

  1957年至1958年,国际地球物理界组织了一次十分重要的学术活动——国际地球物理年,世界各国共同对南北两极、高纬度地区、赤道地带和中纬度地区,进行了一次全球性联合观测,全球性大气臭氧测量便是其中的重要内容。南北两极等许多站点观测便是从这个时候开始的,包括英国哈利湾站、日本昭和站——这两个站从二十世纪50年代至80年代的持续观测数据对发现南极“臭氧洞”十分关键。也是在1958年,中科院地球物理所再次进口了一台编号为#075的Dobson光谱仪。

  1957年,苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星,钱学森、赵九章等科学家深刻意识到空间卫星对地球科学的重要性,之后两次“上书”,提出要发展我国人造卫星。党中央将此任务命名为“651”任务,并成立了“651设计院”,赵九章任院长,中国第一颗人造卫星研制工作如火如荼地展开了。而“651设计院”不断演变、更名,最终发展成今天的中国科学院国家空间科学中心。

  改革开放后,我国臭氧层观测、研究、保护工作迅速发展——

  1979年和1980年,中国科学院香河和昆明地基Dobson臭氧总量观测站建立。

  1989年我国加入《维也纳公约》,1991年正式加入《蒙特利尔议定书》。北京大学唐孝炎院士主编的《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》,经国务院批准报送联合国,获得国际组织的高度评价,她还担任了联合国环境署臭氧层损耗环境影响评估组共同主席。

  20世纪90年代以后,中国气象局在青海瓦里关、浙江临安、黑龙江龙凤山、南极中山站、西藏拉萨建立了Brewer臭氧总量观测站。中国科学院大气物理研究所研制臭氧探空仪和中国科学院安徽光机所研制的臭氧激光雷达进行臭氧垂直分布探测。

  1994年至1998年国家自然科学基金委重大项目支持中国地区臭氧及其对气候环境变化影响的研究。中国气象科学研究院周秀骥院士结合长期卫星资料,发现夏季在我国青藏高原区域存在“臭氧低谷”,其机理与“臭氧洞”不完全一样。近二十多年来的研究表明,“臭氧低谷”的形成除了与高原地形有关外,还与夏季高原及周边地区对流层向平流层物质输送有重要关系。

  那些过去的故事,以新的方式,滋养、辅助着臭氧层观测、研究、保护事业。

  比如,编号#003的Dobson光谱仪在经过仪器维修和标定后,至今仍在云南大学执行臭氧总量观测任务,许多科学家靠它在臭氧研究中获得重要发现和重要成果。

  2008年,我国风云三号A星发射,它携带的紫外臭氧总量探测仪正是由中科院空间科学应用研究中心研制的。如今,风云三号系列卫星臭氧总量数据产品已经纳入WOUDC(世界臭氧紫外数据中心)数据库,数据质量得到国际认可。

  参考文章:

  《外国传教士在中国的气象观测活动》

  《大气臭氧层的前世今生》

  《严济慈先生访谈录》

  《国立综合性科学机构的成立,标志着历时近代的科学技术进入正轨》

  《大国脊梁——回忆赵九章先生》

  《空间中心FY-3C星紫外臭氧总量探测仪成功投入运行》

  (来源:《中国气象报》2019年9月16日三版 责任编辑:郝静) 

  



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