Озоновые "дыры": новый взгляд

Озоновые "дыры": новый взгляд

В начале 80-х годов английские и японские ученые выяснили, что с конца 70-х годов над Антарктикой непрерывно истощается озоносфера - слой атмосферного озона. Наземные и спутниковые измерения обнаружили своего рода озоновую "дыру", в которой озона в столбе воздуха было на 30-50% меньше нормы. Эта "дыра" в Антарктике наблюдается весной (сентябрь - ноябрь), в другие сезоны содержание озона ближе к норме. Заметнее всего это уменьшение на высотах 15-25 км, в слое с максимальным содержанием озона. Позднее выяснилось, что озона в атмосфере становится все меньше и меньше также в средних и высоких широтах Северного полушария зимой - весной (январь - март), особенно над Европой, США, Тихим океаном, Европейской частью России, Восточной Сибирью и Японией.

Детальные измерения показали, что при общем истощении озоносферы содержание озона возрастало, в частности, над Лабрадором (северо-восток Канады) в январе. Временами (например, в 1988 г.) оно увеличивалось и над Антарктикой. Однако в целом содержание озона в атмосфере за последние два десятилетия значительно уменьшилось.

Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям - вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой "дыры" над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.

Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс. Содержание озона здесь определяют химический состав атмосферы и долговременные (с периодом более 10 лет) вариации процессов переноса.

Разрушается же он, взаимодействуя с выбрасываемыми в атмосферу веществами, содержащими хлор (фреонами и галонами), которые используют в различных отраслях промышленности. Многочисленные измерения и расчеты свидетельствуют о том, что эти реакции протекают в основном на поверхности полярных стратосферных облаков, которые образуются здесь при очень низких (менее -80°С) температурах. После окончания полярной ночи, в сентябре, с восходом солнца образуются атомы хлора, разрушающие молекулы озона. Наблюдения показали, что подобный химический механизм действует и в Арктике (в январе - марте). Температура нижней стратосферы в Арктике выше, чем в

Антарктике, поэтому полярные стратосферные облака здесь образуются реже, так что озоновая "дыра" регистрируется главным образом над Антарктикой. Ключевой элемент этого механизма разрушения озона - именно полярные стратосферные облака, образующиеся только при очень низких температурах. Такие температуры над Антарктикой обусловлены сильными западными ветрами, которые формируют своеобразный полярный "барьер" (его называют также полярным вихрем), препятствуя межширотному обмену теплом и озоном.

При любом обсуждении проблемы озоновой "дыры" возникают следующие вопросы:

почему она проявилась только в конце 80-х годов; 

существуют ли долговременные процессы в стратосфере, способствующие образованию температурного "барьера", и как они связаны с наблюдаемыми аномалиями? 

Ответы на них надо искать в системе "океан - атмосфера". Изменения циркуляции атмосферы вызваны стационарными планетарными волнами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний период, сильно влияя на распределение озона и других ее составляющих в средних и высоких широтах. Один из источников этих волн - разные температуры над поверхностями континентов и океанов, поэтому изменения температуры океанской поверхности сказываются на волновой активности. При длительном же ослаблении волновой активности усиливаются западные ветры в стратосфере, охлаждается ее нижняя часть, формируются полярные стратосферные облака и, тем самым, условия для разрушения озона. Циркуляция в стратосфере за последние 20 лет могла сильно измениться. Так что основной причиной озоновой "дыры" в Антарктике вполне может быть длительное ослабление волновой активности стратосферы, связанное с очень медленными процессами в Мировом океане.

Сопоставив изменения волновой активности стратосферы и содержания озона в 1979-1992 гг., специалисты заключили, что ослаблению активности отвечает снижение концентрации озона в средних и высоких широтах из-за меньшего межширотного обмена. Похоже, что летом 1980 г. резко изменилась циркуляция в стратосфере и возникли условия для образования озоновой "дыры".

Чем же вызваны столь серьезные изменения? Видимо, это результат сразу нескольких крупномасштабных процессов в Мировом океане: "капризов" Эль-Ниньо в Тихом океане (теплое сезонное поверхностное течение у берегов Эквадора и Перу, параметры которого меняются год от года), аномалий температур значительных участков поверхности в Атлантическом и Индийском океанах. Из общих физических соображений ясно, что как ежегодные, так и более длительные изменения в стратосфере связаны прежде всего с аномалиями температуры океанов. Современные математические методы позволяют выявить наиболее характерные черты этих связей и проследить их эволюцию. Результаты соответствующих расчетов свидетельствуют о том, что изменения концентрации озона в атмосфере, циркуляции в стратосфере, температуры поверхности Атлантического океана хорошо согласуются между собой. Так что, в частности, изменения концентрации озона в атмосфере Северного полушария в зимнее время могут быть результатом температурных аномалий в Атлантике.

Подобный подход позволяет не только установить подлинные причины наблюдаемых изменений в озоносфере, но и оценить влияние на нее антропогенных факторов, о котором столько говорилось в последние годы. Это влияние оказывается наибольшим над Западной Европой (более 70%), восточным побережьем США (60-70%), Московским регионом и Токио (60%). Снижение же содержания озона над средними широтами Тихого океана и северной Европой вызвано, главным образом, естественными долговременными процессами. Естественные причины привели и к росту концентрации озона над Лабрадором - антропогенные факторы могут способствовать лишь его разрушению.

Нельзя не упомянуть и о независимых подтверждениях длительных вариаций параметров Мирового океана и атмосферы. Исследователи обнаружили, что температура поверхности Атлантического, Тихого и особенно Индийского океанов в средних широтах Южного полушария резко возросла в 1979 г. Японские специалисты установили также отсутствие полярного "барьера" в стратосфере Южного полушария в начале и середине 70-х годов. Сегодня ученые располагают свидетельствами десятилетних и более длительных циклов изменения параметров Мирового океана и атмосферы.

Почему же озоновая "дыра" над Антарктикой не наблюдалась ранее, ведь содержание озона здесь измеряли с 50-х годов? Возможны два ответа. Например, период изменений в системе "океан - атмосфера", сопровождавшихся появлением озоновой "дыры" в Антарктике, больше периода наблюдений. (Такую "дыру" не обнаружили в Арктике и при более длительных наблюдениях, но это уже объясняется, скорее всего, особенностями атмосферной циркуляции в Северном полушарии, обусловленными, в свою очередь, различиями между полушариями в расположении материков и океанов.) Впрочем, озоновая "дыра" в Антарктике могла существовать и в прежние годы, но в июне - августе, т.е. во время полярной антарктической ночи, когда измерения содержания озона были невозможны. Любопытно, что образование озоновой "дыры" за счет естественных вариаций природных характеристик никак не связано с появлением Солнца после полярной ночи (в отличие от химических механизмов разрушения озонового слоя при антропогенных выбросах упомянутых газов).

Появление озоновой "дыры" в Антарктике может свидетельствовать о существовании длительных (с периодом несколько десятилетий) циклов в Мировом океане и атмосфере. Эти циклы способны серьезно повлиять на климат и проявиться в погодных аномалиях и стихийных бедствиях (ураганах, торнадо, тайфунах) в различных районах Земного шара. Таким циклам легче проявить себя именно в стратосфере, а не в тропосфере, на характеристики которой влияют самые разные (часто случайные) факторы.

Антропогенное же воздействие на атмосферу представляется сильно преувеличенным. К сожалению, наблюдения за изменениями в стратосфере пока слишком непродолжительны, чтобы окончательно выделить одну причину озоновой "дыры" в Антарктике. Однако уже сейчас очевидно, что, рассматривая проблемы озонового слоя и изменений климата Земли, необходимо учитывать не только антропогенные факторы, но и долговременные естественные изменения во взаимодействующей системе "океан - атмосфера". В последнее время стали высказываться предположения о том, что вариации скорости вращения Земли вокруг своей оси каким-то неизвестным пока образом влияют на Мировой океан.

В качестве примеров такого влияния обычно ссылаются на меняющееся "поведение" уже упомянутого Эль-Ниньо и таких течений, как Куросио и Гольфстрим. Но тогда изменения климата и озонового слоя, возможно, зависят и от очень медленных процессов в ядре и мантии Земли, которые, безусловно, сказываются на скорости ее вращения. Будущие исследования этой фундаментальной проблемы потребуют объединить усилия специалистов, изучавших прежде сушу, океан и атмосферу по отдельности, а также учитывать не до конца ясные пока солнечно-земные связи.

Список использованной литературы:



Журнал "Экология и жизнь". Статья Е.А. Жадина, кандидат физико-математических наук.