Гроза озона
АрхивВ середине 80-х годов японские и английские ученые обнаружили удивительное явление в атмосфере Земли: озоновый слой над Антарктикой начал непрерывно уменьшаться, начиная с конца 1970-х. Это явление, получившее название озоновой дыры, наблюдается каждый год в сентябре-ноябре.
В середине 1980-х годов японские и английские ученые обнаружили удивительное явление в атмосфере Земли: озоновый слой над Антарктикой начал непрерывно уменьшаться, начиная с конца 1970-х. Это явление, получившее название озоновой дыры, наблюдается каждый год в сентябре-ноябре. Уменьшение содержания озона (количества молекул в столбе воздуха) в дыре очень большое - более 30-50% от нормального состояния - и продолжается до настоящего времени с некоторой стабилизацией в последние пять лет. Истощается озоновый слой и в северном полушарии, особенно зимой над Европой, Сибирью и США, но с несколько меньшей интенсивностью.
Без озона (О3), препятствующего проникновению вредного для биосферы ультрафиолетового излучения Солнца, жизнь на Земле была бы невозможна. Он формируется в результате многочисленных фотохимических реакций с участием кислородных, азотных, водородных и хлорных компонентов верхних слоев атмосферы преимущественно тропических широт и под влиянием динамических процессов переносится вниз, а также в средние и высокие широты. Максимум концентрации озона наблюдается в нижней стратосфере на высотах 15-25 км, и именно в этой области происходит наиболее сильное его уменьшение над Антарктикой.
Предложено несколько гипотез, объясняющих причины появления озоновой дыры. Условно их можно поделить на две группы - химические и динамические. Химические механизмы предполагают, что причиной разрушения озонового слоя является увеличение антропогенных воздействий, связанных с выбросом в атмосферу фреонов и других хлорсодержащих веществ, используемых в промышленности. Эти соединения не разрушаются в нижних слоях атмосферы и, попадая в стратосферу, в результате фотохимических реакций образуют атомы хлора, которые и уничтожают озон. В последние два десятилетия в нижней стратосфере Антарктики наблюдаются очень низкие температуры (менее -80o), благодаря чему образуются облака, состоящие из микроскопических кристалликов льда и кислот. Химические реакции на поверхности этих облаков приводят к еще большей концентрации атомов хлора в атмосфере. Стратосфера над Арктикой теплее, чем над Антарктикой, поэтому там облаков образуется меньше, что и объясняет причину появления озоновой дыры именно над Антарктикой. Динамические гипотезы связывают уменьшение озона с долгопериодными (несколько десятилетий) изменениями процессов переноса озона из средних широт и усилением изолированности полярного вихря стратосферы Антарктики.
Для того чтобы проверить эти гипотезы, в 1980-90-х годах были проведены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, результаты которых в то время, казалось бы, полностью подтвердили химические механизмы разрушения озонового слоя. Так, например, в 1987 году американская авиаэкспедиция в Антарктику обнаружила существенное увеличение хлорных компонентов и другие изменения состава стратосферы, вытекающие из химической гипотезы. Моделирование истощения озонового слоя, вызванное увеличением эмиссии фреонов в атмосферу, тоже подтвердило следствия химической гипотезы, включая образование озоновой дыры в Антарктике. Результаты казались столь убедительными, что большинство ученых до сих пор уверено в антропогенной природе этого явления. Так как истощение озонового слоя грозит необратимыми последствиями для биосферы (ростом числа раковых заболеваний кожи у людей, исчезновением планктона, мутацией растительного мира и т. д.), были приняты международные соглашения (в частности, Монреальский Протокол) по ограничению и запрещению использования в промышленности фреонов и других озоноразрушающих веществ. Требования Протокола основаны на модельных предсказаниях будущего поведения озонового слоя под влиянием антропогенных воздействий. В этих прогнозах неявно предполагалось, что динамические процессы переноса не изменяются от года к году, то есть и нынешнее, и последующее изменение озонового слоя целиком и полностью вызваны антропогенными воздействиями. На самом же деле циркуляция атмосферы испытывает значительные межгодовые и более долгопериодные изменения, причины которых до сих пор неизвестны. Многие страны выполнили требования соглашений, хотя это и обошлось в десятки миллиардов долларов. Однако, по теоретическим оценкам, озоновый слой может восстановиться лишь к 2030-50-м годам из-за большого времени жизни уже произведенных фреонов.
Несмотря на огромное число доказательств химической гипотезы, существуют факты, которые не могут быть объяснены только химическими механизмами. Известно, что самое сильное уменьшение озонового слоя происходило в 1979-95-х годах, однако в этот период наблюдалось и его относительное увеличение, например, в 1988-м - сразу после очень глубокой озоновой дыры годом раньше. Было отмечено увеличение озона в стратосфере и в отдельных географических регионах. Объяснить эти особенности химическая гипотеза не может, поскольку рост концентрации фреонов в атмосфере приводит только к уменьшению стратосферного озона.
В конце 80-х годов была предложена волновая гипотеза, объясняющая появление озоновой дыры над Антарктикой, которая имеет прямое отношение к пониманию изменений климата Земли. Суть ее в том, что долгопериодные изменения температуры поверхности мирового океана, приводят к такому возбуждению атмосферных волн, которое может вызвать сильную изолированность стратосферных вихрей Арктики и Антарктики и охлаждение нижней стратосферы. Эти волны представляют собой циклоны и антициклоны планетарного масштаба (в несколько тысяч километров), которые в зимний период оказывают сильное влияние на динамику стратосферы. Известно два источника атмосферных планетарных волн - огромные горные массивы (Скалистые горы и Анды в северном и южном полушариях, а также Тибет) и изменяющиеся во времени контрасты температур континентов и океана. Интерференция этих источников может приводить к изменению волновой активности, циркуляции и увеличению изолированности полярных вихрей стратосферы в зимне-весенний период. Эффекты интерференции планетарных волн сильно зависят от изменений температуры поверхности Тихого и Атлантического океанов к западу и востоку от Скалистых гор в северном полушарии и Анд - в южном. Согласно волновой гипотезе, естественные долгопериодные вариации мирового океана привели в конце 1970-х годов к таким изменениям динамики стратосферы, которые создали благоприятные условия (изолированность полярных вихрей, низкие температуры нижней стратосферы) для химических механизмов разрушения озонового слоя. Кроме того, волновая гипотеза не отрицает химических механизмов разрушения озона, однако первоначальной причиной образования озоновой дыры в Антарктике считает естественные изменения мирового океана.
Если бы антропогенные воздействия не увеличивались, озоновая дыра все равно бы появилась, но меньшего размера. Она могла появляться и в прошлом, но наблюдения за озоном в Антарктике начались только с конца 1950-х годов. Правда, метеостанция Ароза (Швейцария) наблюдает за озоном гораздо раньше, с середины 1920-х годов. И вот что интересно: подобные низкие значения концентрации озона были зафиксированы здесь еще в те годы, а ведь тогда антропогенные воздействия были много меньше, чем сейчас. Более того, оказалось, что изменения озона над Арозой тесно связаны с изменениями климата северного полушария (с так называемой арктической осцилляцией), что еще раз подчеркивает реальность механизмов, описываемых волновой гипотезой.
В итоге мы можем сказать, что долгопериодные изменения мирового океана являются, вероятно, основной причиной изменений озонового слоя и климата Земли. Это не означает, что антропогенные факторы здесь ни при чем, однако, по оценкам автора, их вклад в наблюдаемые изменения не превышает 50%. Отсюда становится ясно, что требования Монреальского Протокола по ограничению производства озоноразрушающих веществ являются преувеличенными и нуждаются в уточнении, что приведет к экономии миллиардов долларов для промышленно развитых стран, в том числе и России.
[i41234]
Подтверждением справедливости волновой гипотезы может служить рисунок, где показаны межгодовые вариации содержания озона в октябре 1979-92-х годов над Антарктикой и рассчитанные по данным наблюдений изменения стратосферного момента импульса (SAM) для южного полушария, который является индикатором изменений стратосферной циркуляции. Положительные значения в данной широтной зоне означают более сильное вращение стратосферы относительно Земли, чем в среднем за эти годы, и большую, чем обычно, изолированность стратосферного вихря Антарктики. Отрицательные - означают замедление вращения стратосферы и меньшую изолированность вихря от взаимодействия со средними широтами южного полушария. Видно, что ускорение вращения стратосферы в приполярных широтах в октябре 1987 и 1989 годов привело к заметному уменьшению озона, а ослабление вращения стратосферы в октябре 1988 года - к слабой изолированности вихря Антарктики, большему переносу озона из средних широт южного полушария в Антарктику и увеличению озона по сравнению с 1987 годом. В целом в течение 1979-92-х годов наблюдалось тенденция к ускорению вращения стратосферы в средних и высоких широтах, с которым сильно связаны (коэффициент корреляции r=-0,91) межгодовые изменения озоновой дыры. Высокое соответствие межгодовых вариаций озоновой дыры в Антарктике с изменениями стратосферной циркуляции свидетельствуют о большой роли динамических факторов в эволюции дыры. Такие же связи наблюдаются между изменениями циркуляции стратосферы и озона в северном полушарии.
