Если бы озона не было

В предыдущем материале мы рассказали о том, как человечество в ходе своего технологического развития создает все новые и новые угрозы существованию озонного слоя. В последующих главах будет говориться о заметных уже сегодня последствиях загрязнения атмосферы вредными для озона веществами и о том, какие меры принимаются на международном уровне, чтобы предотвратить значительное уменьшение количества стратосферного озона в глобальном масштабе.

Однако вполне уместен вопрос: а так ли это серьезно? Так ли существенно для нас всех — для людей, для биосферы в целом, если количество озона действительно заметно уменьшится? Ведь озон — всего лишь форма существования в атмосфере кислорода (важность которого для жизни на Земле очевидна), а количество последнего при этом практически не изменится.

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассказать о той роли, которую играет озон в существовании человека и других живых организмов, в поддержании определенного режима в атмосфере.

Волшебный щит

В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Откуда же идет это сравнение? Оно связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые (и мы хотим это подчеркнуть!) отличаются от свойств как составляющих ее атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O₂.

Одной из наиболее важных оптических характеристик какого- либо вещества является его спектр поглощения — изменение с длиной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящее через это вещество излучение.

Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, однако сравнение с волшебным щитом обязано своим происхождением, вероятно, главной из них — способности сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200—320 нм.

Область солнечного спектра (а когда говорят о «щите», то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400 нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяют интервалы 320—400 нм (УФ-А) и 200—320 нм (УФ-Б). О причинах этого мы еще поговорим ниже, пока же для нашего изложения важно следующее.

Излучение с длиной волны λ меньшей 200 нм, хорошо поглощается молекулами кислорода, которых, как мы знаем, в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней стратосферы, «застревая» (то есть поглощаясь молекулами О₂) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны (что ни говори — инертный газ!) и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.

Вот и получается, что солнечное излучение с длиной волны от 200 до 320 нм проникало бы сквозь атмосферу практически до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения к именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения к для О₂ и N₂, не говоря уже об аргоне. В результате — излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O₃. Не загружая изложение деталями спектральных характеристик озона, приведем лишь один пример. Максимальное значение к для озона приходится на λ=255 нм и составляет около 130 см^-1. Чтобы читателю легче было представить себе масштаб этой величины, скажем, что, пройдя через слой озона толщиной в 3 мм при нормальном давлении (а это и есть, как мы говорили выше, эквивалент нашего «щита»), излучение с этой длиной волны уменьшится в 10¹⁷ раз! Единица с 17 нулями. Вот так защищает нас наш «волшебный щит».

Конечно, реальная картина гораздо сложнее. Величина к не остается постоянной во всем интервале 200—400 нм, она меняется как систематически (убывая к большим длинам волн и становясь пренебрежимо малой для X около 360 нм), так и волнообразно (коэффициенты к на соседних длинах волн могут существенно отличаться). Для иллюстрации приведем такие цифры. При уменьшении общего содержания озона на 10% интенсивность достигающего поверхности излучения с λ=288 нм возрастет в 50 раз, с λ=293 нм — в 6 раз, а с λ=302 нм — в 1,6 раза.

В некоторых интервалах длин волн в рассматриваемом диапазоне 200—320 нм уменьшение излучения из-за поглощения всем слоем озона происходит лишь в несколько раз. Наличие таких интервалов очень существенно для обсуждаемой нами здесь проблемы, поскольку при уменьшении количества озона в атмосфере заметное увеличение доходящей до поверхности радиации произойдет в первую очередь именно в них.

В целом же эффект волшебного щита именно таков — очень тонкий (всего 2—3 мм!) слой молекул O₃ практически полностью поглощает идущее от Солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с λ=320 нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно — переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов — таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т. д.

Итак, говоря об угрозе от возможного разрушения озонного слоя, мы имеем в виду усиление проникновения УФ-Б до поверхности Земли. Но есть ли тут действительно угроза? К сожалению, есть.

Ультрафиолет с длиной волны 200—400 нм не зря называется биологически активным. Медики установили, что именно на этот интервал приходится максимальная биологическая реакция на единицу энергии излучения. Иначе говоря, один эрг БАУ вызовет в человеческом организме более сильные изменения, чем, например, тот же эрг жесткого излучения (рентген, γ-лучи и т. д.). Конечно, жесткое излучение имеет свои неприятные стороны — высокую проникаемость, способность вызывать лучевую болезнь и т. д., однако в пересчете на единицу энергии эффект именно таков: БАУ держит первое место.

Косвенно о тех неприятностях, которые связаны с возможным облучением человека УФ-Б, мы можем судить по повседневному опыту. Те, кому случалось обгореть на пляже или заболеть временной потерей зрения высоко в горах, испытали на себе действие «соседа» УФ-Б — излучения в области 320—400 нм, которое, как мы уже говорили, пробивается сквозь слой озона до поверхности. Можно представить себе, насколько более сильными могут быть последствия, если разрушится «волшебный щит» и на всех людей хлынет не сдерживаемый больше озоном поток самого УФ-Б.

Наибольшую опасность с биологической точки зрения увеличение потока УФ-Б представляет для важнейшей составляющей всех живых организмов — нуклеиновых кислот. В ходе эволюции в биосфере выработалась адаптация к доходящему до поверхности излучению с длиной волны больше 320 нм. Эта адаптация, в частности, состоит в том, что указанное излучение хорошо поглощается белком, как бы защищающим нуклеиновые кислоты. Однако перед излучением с длиной волны меньше 320 нм биологические системы беззащитны — поглощение белка в области 240—260 нм минимально.

За последнее десятилетие было выполнено много работ, в которых рассматриваются возможные последствия уменьшения слоя озона для людей и всей биосферы. Большинство эффектов, однако, трудно рассчитать количественно. Кроме того, они зависят от того, каково будет предполагаемое уменьшение N (O₃), насколько оно будет равномерным по земному шару и стабильным в течение года (забегая вперед, отметим, что «озонная дыра» появляется пока лишь антарктической весной).

Предваряя прогнозы возможных биологических последствии уменьшения количества озона, мы хотели бы сделать следующие замечания. Проникновение ультрафиолетового излучения (особенно УФ-Б) непосредственно до поверхности Земли (где оно может принести реальный вред) зависит не только от уменьшения количества озона в атмосфере, но и от ряда других факторов. Запыленность атмосферы, наличие облаков, появление загрязняющих малых примесей — все это будет резко снижать вредные эффекты УФ-Б даже при уменьшении слоя озона. Очень существенна и высота Солнца над горизонтом. Ясно, что уменьшение N (O₃) должно сказаться прежде всего в приэкваториальных странах, поскольку в целом там Солнце стоит достаточно высоко. В то же время явление «озонной дыры» над Антарктидой не приводит к большому числу драматических последствий, поскольку весной (когда появляется дыра) Солнце стрит еще очень низко, его лучи проходят через большую толщу атмосферы и реальное увеличение потока УФ-Б невелико. Можно сказать, что при появлении «дыры» летние условия по освещенности ультрафиолетовым излучением наступают в Антарктике просто раньше — не в декабре, а в октябре.

Все сказанное, однако, не умаляет в целом серьезности вопроса о том, каковы последствия возможного увеличения потока УФ-Б.

В целом мрачные прогнозы биологов и медиков можно подытожить следующим образом. При уменьшении общего количества озона в глобальном масштабе и на длительное время (годы) на десятки (20—40) процентов следует ожидать резкого увеличения числа заболеваний раком кожи, а также поражения сетчатки глаз у людей и некоторых высших животных.

Отметим сразу, что уже после того, как подобные прогнозы были сделаны, появились сообщения о том, что на антарктических станциях в последние годы, когда стала бурно развиваться «дыра», участились случаи поражения сетчатки глаз у полярников. Вот уж, поистине, случай, когда совпадение прогноза и наблюдений никого не может обрадовать.

Есть экспериментальные подтверждения (правда, косвенные) справедливости и второго прогноза — об увеличении заболеваемости раком кожи. Американские ученые провели статистическое исследование частоты появления этого заболевания r на 1000 человек населения в различных городах США и обнаружили, что эта частота систематически растет с уменьшением широты города (выше Солнце над горизонтом — сильнее проникновение излучения сквозь атмосферу) и увеличением числа ясных дней (в пасмурную погоду ультрафиолетовое излучение до поверхности пробиться не может). Так, в солнечном Нью-Мексико (на границе Мексики и США) r на 10% выше, чем в расположенном на границе с Канадой дождливом Сиэтле.

Аналогичная статистика по СССР приводит к тем же выводам: в южных районах СССР (например, в Самарканской области) r составляет 30—33, тогда как в северных районах (Мурманская, Архангельская области) всего 5—6. При большом статистическом материале это очень заметное различие, а ведь речь идет только об изменении количества излучения в той спектральной области, к которой человеческий организм адаптировался за миллионы лет эволюции. Чего же можно ожидать, если нас начнет облучать УФ-Б!

Не пройдет бесследно увеличение излучения с длиной волны от 200 до 320 нм и для биосферы. Биологи предсказывают резкое увеличение мутаций у представителей как фауны, так и флоры, включая, естественно, сельскохозяйственные культуры и домашних животных. Особенно сильно должны, видимо, отреагировать на возрастание УФ-Б простейшие организмы (например, бактерии, планктон), что может (поскольку они являются основанием биологической «пирамиды») привести со временем к плохо пока предсказуемым последствиям для всех представителей биосферы Земли.

Важным моментом многих прогнозов биологических изменений при разрушении озонного слоя является то, что заметные изменения (в частоте заболеваний, вероятности мутаций) должны начаться уже при длительном и глобальном уменьшении N (O₃) даже на несколько процентов. Например, утоньшение слоя озона даже на 1 % может увеличить интенсивность эффективного (то есть учитывающего разную чувствительность человеческой кожи к излучению с разными X) излучения, приводящего к заболеваниям раком кожи, на 1,5—2,5%. Это может вызвать рост числа таких заболеваний на 10—20%. Вот насколько мы уязвимы и как важен для нас «волшебный» озонный «щит»!

Озон и климат

В предыдущем параграфе мы рассматривали способность озона поглощать ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200—320 нм с точки зрения роли озонного слоя как нашего защитника — «волшебного щита планеты». Однако сам процесс такого поглощения не проходит бесследно для земной атмосферы. Энергия, которую несет излучение в указанном диапазоне длин волн, в результате поглощения передается атмосферному газу, вызывая его нагрев. Оценки показывают, что выше примерно 20 км и в стратосфере и в большей части мезосферы этот процесс является основным источником нагрева, определяющим, таким образом, температуру — ее высотное и широтное распределение.

Насколько важной характеристикой атмосферы является распределение температуры, очевидно из самых общих соображений. Мы здесь отметим лишь одно обстоятельство. Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе (грубо говоря, воздух движется от теплых областей к холодным). Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения в пространстве скорости нагрева, то есть от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться и вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

Расчеты с помощью атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа примерно на 20 °С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18—40 км) составит 6—8 °С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7—18 км) — 2—3 °С. Те же расчеты дают меньшее, чем ожидалось из общих соображений, изменение горизонтальных ветров в стратосфере, но подтверждают высказанные ранее опасения, что при таком уменьшении N (O₃) сильно изменятся процессы вертикального переноса газа, которые определяют взаимосвязь стратосферы и тропосферы. В частности, существующая вертикальная структура стратосферы может при этом стать неустойчивой.

До сих пор мы обсуждали лишь одно оптическое свойство молекул озона — поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение. Однако молекулы O₃ обладают и другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них — способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6 мкм.

Для того чтобы понять, почему это свойство озона действительно важно для теплового режима атмосферы, нам следует слегка отступить в сторону от основной линии нашего рассказа и кратко познакомить читателя с тем, как формируется тепловой режим тропосферы и поверхности Земли.

Большинство наших читателей, вероятно, слышали о так называемом парниковом эффекте. Суть его состоит в том, что поверхность Земли поглощает энергию падающего на нее солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного — всего, которое до нее дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей уже сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Нас спасает лишь то, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими.

Наиболее активны в этом жизненно важном для всех нас поглощении две атмосферные составляющие — углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8—13 мкм, где суммарное поглощение излучения указанными двумя составляющими (CO₂ и H₂O) мало. И вот тут на арену выходит герой этой книги — озон. Он, как мы уже отмечали, имеет сильную полосу поглощения в области 9,6 мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отметим, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм), но там они накладываются на сильные полосы поглощения Н₂О и СО₂.

В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из-за увеличения в атмосфере количества СО₂. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигание органического топлива и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3—0,4% в год.

Если тенденция роста СО₂ в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества СО₂ в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь в 2100 г. Конечно, реальная картина будет зависеть прежде всего от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

С помощью современных математических моделей можно оценить ожидаемое при увеличении количества СО₂ изменение климата нашей планеты. Как многим, вероятно, известно, такие оценки ничего хорошего нам не сулят. При удвоении количества двуокиси углерода в атмосфере ожидаемое увеличение средней годовой температуры нижней атмосферы составляет 2—3 °С в средних и низких широтах и 5—6 °С в полярных областях. При удвоении количества углекислого газа в стратосфере, наоборот, должно произойти понижение температуры (на 10—15 °С), поскольку молекулы СО₂ принимают активное участие в процессах охлаждения стратосферного воздуха. Такое изменение климата Земли может иметь очень серьезные (а в ряде случаев — драматические) последствия для многих регионов земного шара. Именно поэтому в настоящее время идет активное обсуждение возможностей уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу и замедления роста количества СО₂.

И вот тут встает очень важный вопрос: а только ли рост концентрации СО₂ может приводить к усилению парникового эффекта? К сожалению, оказывается, что нет. Рассказывая выше об озоне в тропосфере, мы отмечали, что согласно экспериментальным данным его количество там в последние десятилетия увеличивается за счет антропогенных источников. А уже в этом параграфе мы обращали внимание на роль поглощения инфракрасного излучения озоном в создании парникового эффекта.

Читатель, возможно, уже пришел к выводу, к которому мы его подводим: рост концентрации озона в тропосфере должен вносить свой вклад в ожидаемое усиление парникового эффекта, вызванного антропогенным загрязнением атмосферы.

Конечно, картина в случае озона далеко не так проста, как в случае СО₂. Ведь молекулы O₃ играют роль и в процессах нагрева атмосферного газа (за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере и инфракрасного излучения поверхности в основном в тропосфере) и в процессах его охлаждения (за счет излучения молекулами O₃ части поглощенной энергии). Мы ожидаем уменьшение количества озона из антропогенных источников в стратосфере и увеличение его в тропосфере.

Все эти сложности приводят к тому, что оценить суммарный эффект ожидаемого изменения количества озона не так просто, и на этот счет опубликовано несколько противоречивых мнений. Тем не менее наиболее надежные, с точки зрения авторов данной книги, расчеты по теоретическим моделям, учитывающим как радиационные, так и конвективные эффекты, показывают, что при ожидаемом удвоении количества озона в тропосфере и уменьшении вдвое в стратосфере климатический эффект должен быть в большой мере подобен эффекту от ожидаемого удвоения количества двуокиси углерода, но с меньшей амплитудой. Иначе говоря, если в случае удвоения СО₂ вероятно увеличение температуры в среднем по Земле на 3—4 °С, то в случае описанного изменения количества озона это увеличение составит около 1 °С. Уменьшение вдвое количества стратосферного озона также должно вызвать эффект, подобный эффекту удвоения количества СО₂, — охлаждение стратосферы на 15—20 °С.

Следует отметить, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере, которое мы здесь рассматриваем прежде всего с точки зрения дополнительного вклада в парниковый эффект, неизбежно будет сопровождаться и другими отрицательными эффектами. Озон обладает токсическими свойствами, которые могут приводить к поражению легочных тканей человека (и животных), ставя таким образом под угрозу здоровье людей. Ожидается влияние обогащенного озоном воздуха на растения, а также на различные (особенно легкоокисляющиеся) материалы. Эти вопросы на сегодня изучены еще плохо, хотя уже ясно, что озон как окислитель играет заметную роль в явлении так называемых кислотных дождей.

Резюмируя сказанное в этом параграфе, следует подчеркнуть, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере сулит нам так же мало радостей, как и антропогенное разрушение стратосферного озона.

Источник: А.Д. Данилов, И.Л. Кароль. Атмосферный озон — сенсации и реальность. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991