Над человечеством нависла вполне реальная опасность. Она связана с растущим все убыстряющимися темпами загрязнением земной атмосферы.
Факт такого загрязнения, как мы уже отмечали, установлен надежно и сомнений не вызывает. Можно обсуждать лишь правильность тех или иных моделей, дающих прогноз увеличения количества выбросов различных загрязняющих веществ в ближайшие десятилетия. Конечно, то, насколько реализуются разные прогнозы, какова будет экологическая ситуация, скажем, через 30 лет, зависит от многих факторов. Тут и развитие новых технологий, и изменение политического климата в мире (например, полный отказ от стратосферной военной авиации), и, что очень важно, осознание грозящей опасности, и своевременное принятие мер по резкому уменьшению выбросов наиболее опасных для атмосферы веществ.
В плане основной нити нашего рассказа, посвященного атмосферному озону, сказанное выше означает прежде всего борьбу с увеличением количества озона в тропосфере и с выбросом хлорсодержащих веществ (особенно фреонов), угрожающих стратосферному озону.
Накопление озона в тропосфере идет в результате нескольких процессов, и учесть их все далеко не просто. Основной вклад вносят, однако, выхлопы автомобилей. Видимо, надежды на уменьшение антропогенного образования озона в приземном слое воздуха можно связывать лишь с отказом от массового использования работающих на нефтепродуктах двигателей внутреннего сгорания. Наиболее кардинальное решение — переход на принципиально другие источники энергии (например, на электромобили) сталкивается с огромными техническими и организационными трудностями, которые очевидны. Более реальный для ближайшего десятилетия путь — замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое. Отметим, что ряд стран (например, Бразилия) уже перешли на использование в двигателях внутреннего сгорания спирта вместо бензина. Окажется ли этот путь приемлемым для других стран — покажет будущее.
Как мы уже знаем, основной ущерб слою озона в стратосфере несут соединения хлора, наиболее распространенными из которых являются хлорфторуглеводороды (фреоны). Выброс этих соединений в последнее десятилетие растет очень быстро, и это вызывает заметное увеличение количества опасного для озона так называемого нечетного хлора ClOx в стратосфере. Продление таких темпов выбросов фреонов на будущее повлечет за собой такой рост концентрации ClOx в стратосфере, что уже в ближайшие 20—30 лет она достигнет уровня, при котором неизбежны катастрофические последствия для «озонного щита» Земли.
Осознание этой опасности приводит к тому, что международной общественностью предпринимаются все новые и новые шаги в защиту озонного слоя.
Реальность угрозы разрушения озонного слоя человечество начало понимать еще в начале 70-х годов. И уже в середине 70-х годов международные научные организации отреагировали на эту угрозу — стали появляться крупные международные проекты, в которых изучению озона отводилось ведущее место. Одним из таких проектов, просуществовавших целое десятилетие, стал МАП — Программа средней атмосферы. Основным лозунгом, написанным на знамени МАП, было не только международное, но и междисциплинарное объединение ученых. Впервые «за одним столом» сошлись специалисты по ионосфере и по метеорологии, ученые, изучающие фотохимию, и специалисты в области атмосферной динамики. Для изучения озона такой подход оказался особенно плодотворным, ибо проблема атмосферного озона связана с самыми различными аспектами атмосферных исследований в целом. Тут и малые составляющие с их сложной фотохимией, и крупномасштабные динамические процессы, и радиационные процессы, и тепловые эффекты…
Многое из того, что мы сегодня знаем об озоне, попало в копилку наших знаний в результате исследований, проведенных в рамках МАП. Большое внимание изучению озона уделялось и в программах деятельности других чисто научных международных организаций, таких, как Комитет по космическим исследованиям (КОСПАР), Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии (МАГА) и т. д.
Начали действовать и специальные международные органы, посвященные проблеме озона. Так, в марте 1977 г. организация ООН по окружающей среде (ЮНЕП) созвала первое «Совещание по слою озона», в котором участвовали многие как правительственные, так и неправительственные организации. Это совещание приняло пространный «Всемирный план изучения озонового слоя», предусматривавший наблюдение озона, развитие теории и моделей, изучение воздействия озона на биосферу и на человека, наблюдения ультрафиолетовой радиации солнца и анализ статистики вызываемых ею заболеваний, а также ее влияния на экосистемы. Предусмотрен был и сбор данных об опасных для озона загрязнениях атмосферы. Был учрежден специальный Координационный Комитет ЮНЕП по озоновому слою. Этот комитет собирался в последующие годы неоднократно (Женева, 1977 г., Бонн, 1978 г., Париж, 1979 г.), причем на его заседаниях было привлечено внимание мировой общественности к ряду важных аспектов озонной проблемы, в частности к роли других (помимо фреонов) хлорсодержащих соединений (например, CF3Cl, CH3Cl) в возможном разрушении озона, к нелинейному росту числа заболеваний раком кожи при утоньшении озонного слоя и т. д.
Тот же ЮНЕП совместно с Американским агентством защиты окружающей среды созвал в июне 1986 г. Международную конференцию по влиянию озона на здоровье. Многие из печальных выводов о вероятных последствиях даже частичного разрушения слоя озона, которые мы подробно описали в главе «Если бы озона не было», впервые прозвучали именно на указанной конференции. Там, в частности, было показано, что уменьшение N (O3) на 10% (за счет усиления ультрафиолетового облучения) для биосферы средних широт эквивалентно смещению на 30° широты к экватору, и было привлечено внимание к тому факту, что усиление биологически активного ультрафиолета (БАУ) должно повлиять на ДНК — основной генетический материал всех живых организмов. Были отмечены также драматические последствия ожидаемых изменений климата — рост числа засух, смена типов леса, изменение стока рек, повышение уровня океана.
К середине 80-х годов в результате активного изучения проблемы озона стало ясно, что имеется реальная опасность разрушения слоя озона и что эта опасность грозит прежде всего со стороны хлорсодержащих соединений. На смену научным комиссиям и комитетам (которые, впрочем, продолжали и продолжают свою работу по обобщению исследований, связанных с природой озона в атмосфере) пришли политические мероприятия.
Первым из них был созыв в марте 1985 г. в Вене Конференции полномочных представителей по охране слоя озона. На конференции, в которой участвовали делегаты от 44 государств (включая СССР) и нескольких международных организаций, была принята получившая широкую известность «Конвенция по охране озонного слоя» (так называемая Венская конвенция). В ней впервые на официальном правительственном уровне было признано, что имеется опасность изменения слоя озона и что такое изменение может пагубно повлиять на здоровье людей и окружающую среду.
Государства — участники конференции, подписавшие Венскую конвенцию, обязались вести систематические наблюдения за количеством озона и изучать как процессы, приводящие к его изменению, так и возможные биологические последствия таких изменений. В Конвенции подчеркивалась также необходимость развития работ по моделированию распределения озона и малых примесей в атмосфере, особенно представляющих для озона опасность. Государства взяли на себя также обязательства информировать мировую общественность о производстве и использовании таких веществ.
На Венской конференции была создана группа экспертов для подготовки специального подробного документа о хлорфторуглеводородных соединениях, которые могут представлять опасность для стратосферного озона. Обсуждение и подписание этого документа (получившего название Монреальского протокола) произошло в Монреале в сентябре 1987 г. В Протоколе подчеркивается, что необходим постоянный контроль за изготовлением, продажей и применением наиболее опасных для озона веществ. В список этих веществ вошли помимо хлорфторуглеродов (фреонов), также и бромсодержащие соединения (например, CF3Cl, который в 3—10 раз эффективнее разрушает O3, чем фреон-11 CFCl3).
Согласно Монреальскому протоколу использование хлорфторуглеводородов по сравнению с уровнем 1986 г. должно быть уменьшено на 20% к 1993 г. и в два раза к 1998 г. Советский Союз подписал Протокол и позже (в 1989 г.) предложил ввести в список веществ, на которые он распространяется, еще одно хлорсодержащее соединение — метилхлороформ CH3CCl.
В апреле—мае 1989 г. в Хельсинки прошли совещания участников Венской конвенции и Монреальского протокола. На этих форумах продолжалось обсуждение проблемы озона и необходимых мер по предотвращению разрушения озонного слоя с учетом как новых данных о самом озоне, так и политической ситуации в мире.
К этому моменту Протокол ратифицировали 43 суверенных государства и Европейское Экономическое Сообщество. Однако ряд развивающихся стран не подписали Протокол, ссылаясь на серьезные экономические трудности, связанные с переоборудованием целых отраслей промышленности (например, холодильной техники), где используются фреоны. Это ставит под вопрос реальность полного прекращения в ближайшем будущем выброса хлорсодержащих веществ в атмосферу и остановки соответствующего накопления свободного хлора в стратосфере. А раз так — неизбежно уменьшение N (O3) в ближайшие десятилетия.
На совещании в Хельсинки было рекомендовано ускорить работы по исследованию генетической устойчивости культурных растений к ультрафиолетовому излучению и отбору тех видов, которые могут обеспечить человечество продовольствием даже в условиях усиления облучения биосферы БАУ. Был принят также ряд решений о расширении и совершенствовании сети наблюдений за количеством озона, особенно в развивающихся странах, где, в силу того что они расположены преимущественно в тропиках, утоньшение слоя озона должно сказаться в первую очередь.
Новая конференция участников Венской конвенции и Монреальского протокола намечена на июнь 1990 г. в Лондоне. На ней должны быть обсуждены и приняты поправки к Монреальскому протоколу и, быть может, даже его замена новым, Лондонским протоколом. В начале 1990 г. на нескольких международных научных форумах ученые пришли к выводу, что ограничения Монреальского протокола недостаточны для сохранения озонного слоя. Даже при их выполнении содержание компонент хлорного семейства ClOx в стратосфере будет расти достаточно быстро и разрушать озон. Внесены предложения о полном прекращении производства и выбросов в атмосферу уже в 1991—1992 гг. тех фреонов, которые ограничиваются Монреальским протоколом. Химики всех развитых стран интенсивно ищут заменители этих фреонов, менее опасные для озона, и исследуют их свойства. Правительствам развивающихся стран настойчиво предлагают присоединиться к Монреальскому протоколу, обещая им экономическую и техническую помощь, в частности путем безвозмездной передачи им технологии производства и использования так называемых альтернативных (мало опасных для озона, быстро распадающихся в атмосфере) фреонов.
Проблемы сохранения озонного слоя относятся к глобальным проблемам человечества. Поэтому она обсуждается ныне на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987 г.).
Этим кратким обзором международных мероприятий в защиту озонного слоя мы и завершаем нашу книгу. Остается лишь верить в то, что более глубокое осознание грозящей человечеству опасности подвигнет правительства всех стран на принятие необходимых мер по уменьшению выбросов вредных для озона веществ. Задача ученых в этой ситуации — правильно оценить эту опасность и своевременно довести до сведения широкой общественности ее реальность и источники.
Что такое озон?
Озон — это химическое соединение. В молекуле озона О3 соединены три атома кислорода, а не два, как в обычной молекуле кислорода О2. В атмосфере Земли озон содержится в виде очень малой примеси — его концентрация нигде не превышает тысячной доли процента от общего количества атмосферного газа. Несмотря на это, озон играет очень важную роль в атмосфере Земли за счет своей способности сильно поглощать излучение в некоторых участках спектра, особенно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Эта способность делает озон защитником всего живого на Земле от опасного для биологических организмов (включая и человека) ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—320 нм.
Много ли озона в атмосфере?
Озон наблюдается в атмосфере на всех высотах от поверхности Земли до примерно 100 км. Его распределение по. высоте неравномерно — наибольшая концентрация молекул О3 наблюдается в стратосфере на высотах 15—25 км. Величина максимальной концентрации изменяется в зависимости от различных обстоятельств: времени года, широты места на Земле и т. д. Часто для удобства говорят о слое озона в стратосфере и называют наибольшую концентрацию О3 концентрацией в максимуме слоя.
Если собрать весь озон, находящийся в столбе атмосферы от ее верхней границы до поверхности Земли, и опустить эти собранные молекулы О3 на поверхность, то при нормальных давлении и температуре мы получим слой толщиной около 3 мм. Толщину такого слоя, равную одной сотой доле миллиметра, называют единицей Добсона (е. Д.) и используют для описания общего количества озона в атмосфере над данным местом, обозначаемого N (О3). Таким образом, в среднем по Земле N (О3) ≈ 300 е. Д.
Так же, как и концентрация О3 в максимуме слоя, общее количество озона сильно меняется в пространстве и во времени. Оно максимально весной в высоких (70—80°) широтах и минимально в экваториальной зоне. Бывают отдельные дни, недели и даже месяцы, когда в том или ином месте на Земле наблюдаются очень высокие или очень низкие значения N (О3), в два раза и более отличающиеся от средних значений. Такая сильная изменчивость общего количества озона сильно затрудняет выявление тенденции изменения (трендов) N (О3) за последние десятилетия в результате антропогенного загрязнения атмосферы.
Откуда берется и куда девается озон?
Озон образуется при соединении молекулы и атома кислорода. Значит, для формирования озона необходимо, чтобы в воздухе присутствовали как молекулы О2, так и атомы O. Последние образуются из молекул О2 под действием солнечного ультрафиолетового излучения. Чем выше мы поднимаемся в атмосферу, тем сильнее идет разрушение (диссоциация) О2, тем больше образуется атомов O, тем эффективнее идет образование молекул О3. Это объясняет увеличение концентрации озона при подъеме от поверхности Земли до максимума слоя.
Но молекула озона тоже может диссоциировать под действием солнечного излучения. И с увеличением высоты над поверхностью интенсивность процесса диссоциация О3 растет. Начиная с некоторой высоты (здесь как раз концентрация озона и будет максимальна — это и будет максимум слоя) скорость разрушения озона растет с высотой быстрее, чем скорость его образования при соединении O и O2. Концентрация озона при этом начинает с высотой уменьшаться.
Так можно схематически представить себе высотное распределение озона в атмосфере под действием фотохимических процессов. Реально на распределение озона по высоте оказывают большое влияние фотохимические реакции озона с другими газами воздуха и динамические процессы в атмосфере, в первую очередь вертикальный перенос воздуха.
Например, направленные вниз (нисходящие) потоки должны приводить к общему понижению слоя и увеличению концентрации О3 в его максимуме. Именно это наблюдается в атмосфере высоких широт. Наоборот, восходящие потоки воздуха поднимают слой озона, делают его более тонким. Так обстоит дело в приэкваториальной атмосфере.
Причиной вертикальных движений воздуха является общая атмосферная циркуляция. В приэкваториальной зоне воздух в тропосфере нагревается и движется вверх в стратосферу, а потом горизонтально вдоль меридиана. Дойдя до высоких широт, он охлаждается, опускается в тропосферу и возвращается назад к экватору.
Динамические процессы вносят существенный вклад и в сезонные изменения N (О3). Так, максимум количества озона, наблюдаемый в высоких широтах весной, связан с его интенсивным переносом зимой из низких широт. Ясно, что динамические процессы лишь перераспределяют молекулы О3, но не могут ни производить их, ни уничтожать. Таким образом, общее количество озона в атмосфере строго контролируется процессами его образования и гибели в фотохимических реакциях. И если в результате антропогенного загрязнения атмосферы скорость химического разрушения озона увеличивается, общее количество озона неизбежно должно уменьшаться.
Какую роль играет озон в нашей жизни?
В тропосфере озон выступает в роли одного из загрязнителей воздуха. Часть смога в больших городах вызвана, в том числе, избытком озона, образующегося как побочный продукт автомобильных выхлопов. В стратосфере же озон выполняет роль своеобразного экрана, поглощающего губительное для всего живого на Земле коротковолновое (ультрафиолетовое) излучение.
Озон принимает также активное участие в формировании теплового режима атмосферы и поверхности нашей планеты. Этот режим сильно зависит от так называемого парникового эффекта. Последний состоит в том, что ряд газов в атмосферном воздухе активно поглощает тепловое (инфракрасное) излучение, которое переизлучает земная поверхность, поглотив предварительно излучения солнца во всех длинах волн. К этим газам относится и озон. Его роль состоит в поглощении уходящего от Земли теплового излучения в тех спектральных интервалах (так называемые окна прозрачности), где основные газы, ответственные за парниковый эффект (пары воды, CO2), поглощают плохо.
В стратосфере озон поглощает идущее от солнца ультрафиолетовое излучение. Этот процесс является основным источником нагрева стратосферного воздуха и определяет существующую там относительно высокую (по сравнению с тропосферой) температуру. Кроме того, поглощая ультрафиолетовое излучение, особенно в той его части (200—320 нм), которая представляет наибольшую опасность для биологических организмов, озон защищает людей и всю биосферу от его губительного действия.
Что было бы, если бы озона не было?
Конечно, точно ответить на этот вопрос невозможно. Но есть серьезные основания полагать, что жизнь на нашей планете развивалась бы (если бы развивалась вообще) по-иному. При исчезновении или даже утоньшении слоя озона неизбежно увеличение достигающего земной поверхности потока солнечного ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—320 нм. Это излучение часто называют мягким, ближним или биологически активным ультрафиолетом (БАУ). Последнее название связано с тем, что клетки живых организмов (особенно входящие в них нуклеиновые кислоты) очень чувствительны к облучению БАУ.
Следует иметь в виду, что поток излучения очень чувствителен к изменению общего количества озона (как выражаются ученые, связь между ними существенно нелинейна). Иначе говоря, падение N (О3) даже на десятки процентов ведет к росту ультрафиолетового излучения в несколько раз, а то и несколько десятков раз.
Поскольку речь идет об излучении в той части солнечного спектра (200—320 нм), которая наиболее биологически активна, то указанные изменения интенсивности этого излучения, достигающего поверхности Земли, с неизбежностью приведут к сильным изменениям в биосфере в целом и в здоровье людей в частности.
Сегодня трудно предсказать все подобные изменения. Но уже ясно, что в клетках живых организмов под действием ультрафиолетового излучения должны происходить мутации. Последние должны пагубно сказаться и на развитии животного и растительного мира в целом и, в частности, на растениях и животных, используемых человеком в сельском хозяйстве. Здоровью самого человека также грозят серьезные неприятности, наиболее очевидные из которых — увеличение заболеваемости раком кожи и повреждения сетчатки глаз.
Изменение количества озона не может не отразиться и на климате планеты. Поскольку озон принимает активное участие в создании парникового эффекта, обеспечивающего нагрев самого нижнего атмосферного слоя — тропосферы, при заметном увеличении в ней количества озона климат Земли должен стать более теплым (средняя температура должна повыситься на 1—2°С). Это, на первый взгляд, небольшое увеличение средней годовой температуры в глобальном масштабе может привести к значительным изменениям погоды в ряде регионов Земли, подъему уровня океанов и другим очень серьезным последствиям. В настоящее время увеличение количества озона в тропосфере вносит лишь вклад в идущий в последние десятилетия процесс усиления парникового эффекта за счет роста количества нескольких поглощающих тепловое излучение газов, в первую очередь двуокиси углерода.
При уменьшении количества озона в стратосфере там тоже должно сильно измениться тепловое равновесие. При падении концентрации озона вдвое температура стратосферного воздуха упадет на 10—30 °С. А это, в свою очередь, может нарушить стабильность всей атмосферы с плохо предсказуемыми пока последствиями.
Кто и как угрожает озону?
Хотя, как мы уже говорили, озон, экранируя все живое на Земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей, является верным защитником человека, сам же человек и угрожает озону. В результате его деятельности в атмосферу выбрасывается все больше загрязняющих веществ. Часть этих веществ являются вредными для озона — они способствуют его разрушению. К таким вредным веществам относятся соединения азота, водорода и хлора.
Азот попадает в атмосферу главным образом в виде азотных окислов (NO, NO2, N2O) при использовании азотных удобрений и выбросе отработанных газов при полетах высотных самолетов. Источником водородных соединений являются промышленные предприятия, выделяющие в атмосферу метан, и также полеты высотных самолетов и ракет, при которых непосредственно на стратосферных высотах выбрасываются пары воды. Наконец, хлор попадает в атмосферу в результате очень активного использования в промышленности и быту хлорсодержащих органических соединений, прежде всего так называемых фреонов (хлорфторуглеводородов).
За счет химической активности кислорода, которого много в атмосферном газе, образуются целые группы (или, как говорят, семейства) соединений азота, водорода и хлора. Возникающая при этом система химических взаимодействий достаточно сложна — только цикл процессов с участием азотных соединений включает десятки реакций. Однако результирующий эффект, важный для нашего рассказа, довольно прост. Каждое из семейств участвует в своем цикле каталитических реакций разрушения озона. При этом члены семейств выступают в роли катализаторов — они ускоряют реакции гибели озона, но не расходуются сами.
Наибольшую опасность для озона в стратосфере (где, напомним, располагается максимум озонного слоя) представляют сегодня, видимо, соединения хлора. Выброс хлорсодержащих веществ (прежде всего фреонов) в последние десятилетия катастрофически растет. Например, выброс фреона-11 за период с 1950 по 1980 г. возрос примерно в 300 раз. Соответственно растет и равновесное (то есть установившееся после размешивания выброшенных веществ и химических взаимодействий их с другими атмосферными соединениями) количество хлорсодержащих веществ в атмосфере и, в частности, в стратосфере. Так за 1970—1980 гг. относительная концентрация фреона-11 на стратосферных высотах выросла в четыре раза.
Заметно ли уже регулярное уменьшение количества озона?
Ответ на предыдущий вопрос мы закончили тем, что за последние десятилетия очень сильно увеличился выброс в атмосферу загрязняющих веществ (особенно хлорсодержащих), что привело к заметному росту равновесных концентраций таких веществ в стратосфере. В связи с этим предпринимаются попытки выяснить, сказывается ли это уже сегодня на общем количестве озона. Такие попытки связаны с серьезными трудностями. Ожидаемое уменьшение общего количества озона пока относительно невелико — всего несколько процентов. Зарегистрировать такое изменение за достаточно длинный срок (скажем, за 10 лет) сложно, так как оно находится на грани точности существующих методов измерения N (О3). Тем не менее поиски тенденций и характера изменения N (О3) (так называемых трендов) в последние годы идут непрерывно.
Анализ данных наземных измерений общего количества озона за период с 1969 по 1986 г. приводит к заключению, что величина N (О3) за этот период уменьшилась в среднем на 2—3%. Выяснилось, что это уменьшение происходит по-разному в разных областях земного шара и в разные сезоны. Зимой и весной эффект такого уменьшения наиболее заметен. В области широт 50—65° он может достигать 4%. Летом эффект минимален — иногда для летних месяцев получают даже положительные тренды (рост N (О3) за рассматриваемые годы), уменьшается он и к низким широтам.
Похожему анализу подвергались и данные спутниковых измерений общего количества озона. Результаты, в принципе, подобны тем, что получены по наземным наблюдениям: общая тенденция уменьшения N (О3) примерно на 2%, более сильное падение зимой, чем летом, зависимость эффекта от широты места. Однако регулярные спутниковые наблюдения N (О3) имеются лишь с 1979 г., то есть приходятся пока лишь на фазы спада 21-го цикла солнечной активности. Это затрудняет отделение интересующего нас в первую очередь антропогенного эффекта в уменьшении N (О3) от эффектов, которые могут быть связаны с естественными процессами, прежде всего с изменением солнечной активности. В самое ближайшее время, как только появятся наблюдения N (О3) на восходящей ветви нового (22-го) солнечного цикла, указанные трудности будут, видимо, устранены и мы получим более точный ответ на вопрос. Пока наиболее вероятный ответ звучит так: да, это уменьшение, скорее всего, существует и составляет около 2% N (О3) за последние два десятилетия.
Что такое «озонная дыра»?
«Озонной дырой» называют явление уменьшения общего количества озона над Антарктикой в весенние (сентябрь—ноябрь) месяцы.
Как по наземным, так и по спутниковым измерениям замечено систематическое уменьшение N (О3) весной примерно с 300 е. Д. в прошлом до 150—200 е. Д. в последние годы. Наиболее сильный эффект наблюдался пока весной 1987 г., когда в отдельных областях антарктической стратосферы общее количество озона падало до 100 е. Д.
Обнаружено увеличение из года в год области, где наблюдается описываемое явление. Так, в 1987 г. территория, где N (О3) уменьшилось до 200 е. Д., составляла около 40 миллионов квадратных километров, а ее граница практически совпадала с кругом 60° ю. ш.
Измерения высотного распределения концентрации озона с помощью аэростатов показали, что падение N (О3) происходит за счет очень сильного (на 97% по сравнению с обычными условиями) уменьшения концентрации озона в максимуме слоя на высотах 14—20 км.
При пролете через область «дыры» специальных самолетов- лабораторий обнаружили, что там наблюдаются очень высокие концентрации окиси хлора ClO (в 300 раз выше, чем в средних широтах) и соединений брома. При этом распределение окиси хлора вдоль трассы полета имеет ярко выраженную обратную корреляцию с распределением озона: чем выше концентрация ClO, тем меньше общее количество озона и наоборот.
По сегодняшним представлениям причина образования «озонной дыры» связана прежде всего с систематическим увеличением в стратосфере Земли количества хлора и других галогенов благодаря все возрастающему выбросу в атмосферу галогенсодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Но к столь драматическим изменениям N (О3) (в несколько раз!) при сегодняшнем уровне загрязнения воздуха приводит специфика метеорологической обстановки в антарктической стратосфере зимой и весной.
Зимой в полярной стратосфере южного полушария существует устойчивый циклон — так называемый циркумполярный вихрь. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. При этом в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной атмосферой. К концу зимы воздух внутри вихря сильно охлаждается (до —70…—80 °С), и в стратосфере появляются полярные облака, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной жидкости.
Частицы полярных облаков связывают азотные соединения (прежде всего NO2) и дают простор действию хлорного цикла разрушения озона. По мере прогревания антарктической стратосферы циркумполярный вихрь разрушается, при этом восстанавливается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами, стратосферные облака исчезают, освободившиеся молекулы NO2 связывают молекулы окиси хлора, разрушительное действие хлорного цикла на озон ослабевает и количество последнего восстанавливается до невозмущенных значений.
Замечена связь уменьшения количества озона над Антарктикой с задержкой разрушения циркумполярного вихря. Так, весной 1987 г., когда падение N (О3) было максимальным, разрушение вихря произошло лишь в начале декабря, а не в октябре, как это бывает обычно.
Весной 1988 г. эффект уменьшения количества озона над Антарктикой был выражен слабее, чем годом раньше: наблюдалось понижение N (О3) лишь до 200 е. Д., да и область, где происходило такое понижение, была значительно меньше, чем весной 1987 г. Весной 1989 г. «дыра» была почти столь же интенсивной, как и в 1987 г. Такое колебание эффекта «озонной дыры» связывают с обнаруженными по другим наблюдениям квазидвухлетними колебаниями количества озона и ветрового режима средней атмосферы.
Весной (февраль—март) 1988 и 1989 гг. проводились поиски явления, аналогичного антарктической «озонной дыре», в Арктике. Метеорологическая обстановка в арктической стратосфере отличается от таковой в Антарктике. Менее выраженный зимний циркумполярный вихрь не дает арктической стратосфере сильно охладиться, а потому не появляется условий для образования стратосферных облаков. Кроме того, не прекращается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами. Следовательно, не следует ожидать и явления «озонной дыры» в столь же явном виде, как в южном полушарии.
Наблюдения 1988 и 1989 гг. показали, что, действительно, общего явления понижения N (О3), сравнимого с антарктической «дырой», в Арктике нет. Однако в отдельных местах обнаружены относительно небольшие области с пониженными N (О3) («микродыры»), которые могут быть связаны с локальными вихрями, образующимися при разрушении основного циркумполярного вихря. Например, одна из таких «микродыр» была обнаружена весной 1989 г. во время самолетных измерений над северной частью Норвегии, о чем сообщалось в прессе.
Таким образом, «озонная дыра» является результатом загрязнения атмосферы хлорсодержащими соединениями. Сильный эффект уменьшения N (О3) именно весной в полярной области южного полушария связан со спецификой метеорологической обстановки в зимней антарктической стратосфере.
Как измеряют количество озона?
Наблюдения количества озона в столбе атмосферы ведут уже несколько десятилетий на сети озонометрических станций, расположенных в разных частях земного шара, включая и Антарктиду. В основе метода наблюдений (метод Добсона) лежит измерение поглощения в атмосфере солнечного ультрафиолетового излучения в двух длинах волн. Последние выбираются таким образом, чтобы поглощение озоном в этих длинах волн было существенно разным. В качестве спектрального прибора используется либо спектрограф, либо (в более простой современной модификации) фотометр со светофильтрами.
Наблюдения методом Добсона позволяют определить только общее количество озона в столбе атмосферы. Для получения высотного распределения концентрации озона используют либо наблюдения с Земли рассеянного атмосферой излучения при заходе солнца (метод обращения), либо прямые измерения с помощью специальных зондов, поднимаемых на ракетах или аэростатах. Прямые методы являются наиболее точными и надежными, однако очевидно, что их использование ограничено дороговизной подъемных средств. В основном они используются для проверки и калибровки других методов.
С середины 70-х годов ведутся наблюдения общего количества озона со спутников. Принципы определений N (О3) со спутника близки к таковым в методе Добсона — измерение поглощенного или рассеянного атмосферой излучения в различных спектральных интервалах.
Основное преимущество спутниковых наблюдений N (О3) — возможность получения глобальной картины распределения озона с использованием одного и того же прибора. Основной недостаток — опасность изменения чувствительности (старения) аппаратуры, в результате чего могут получаться ошибочные выводы о характере изменения (трендах) N (О3) со временем.
Пока с помощью спутниковых наблюдений удается измерять вертикальное распределение концентрации озона только начиная с высоты около 20 км, поэтому для получения всего профиля озона в стратосфере и тропосфере они не пригодны. Однако эти методы дают очень важные сведения о количестве молекул озона в верхней стратосфере и мезосфере.
В последние годы активно развиваются методы определения концентрации озона по измерениям в радиодиапазоне (гигагерцы). Весьма вероятно, что в ближайшее десятилетие эти методы займут ведущее место в системе глобального мониторинга озона.
Что нас ждет?
Глобальное загрязнение атмосферы — явление вполне реальное. Для многих компонент этого загрязнения (фреоны, метан, закись азота) получены надежные данные о росте их количества в воздухе (в том числе и в стратосфере) за последние десятилетия.
Существуют различные прогнозы дальнейшего изменения (как правило, увеличения) количества антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере. В тропосфере к числу таких веществ относится сам озон и его концентрация растет примерно на 1—2% в год. При удвоении количества тропосферного озона следует ожидать неприятного для человечества потепления климата планеты (увеличение средней температуры на 1—2 °С) из-за участия молекул О3 в создании так называемого парникового эффекта.
На основе прогнозов дальнейшего загрязнения стратосферы строятся и модели ожидаемого изменения общего количества озона. Расхождение в предсказаниях на обозримое будущее по таким моделям пока достаточно велико в количественном плане. Однако в качественном отношении практически все модели сходятся — в ближайшие десятилетия должно происходить уменьшение количества озона в стратосфере и, следовательно, падение N (О3).
Такое падение по существующим сегодня представлениям должно вызвать ряд весьма неприятных для человека и всей биосферы последствий: увеличение числа заболеваний кожи и сетчатки глаз, непредсказуемые генетические изменения в биологических организмах.
Хотя точно указать срок, когда значение N (О3) в глобальном масштабе упадет, скажем, на 20%, пока невозможно, нетрудно предсказать, что это время наступит очень скоро. Гораздо скорее, чем нам хотелось бы, поскольку непрерывно растет выброс в атмосферу хлорсодержащих веществ — основных на сегодняшний день врагов озона. Если резко затормозить этот рост на уровне существующих международных соглашений не удастся, можно ожидать, что от серьезных неприятностей, связанных с существенным уменьшением слоя озона, нас отделяют считанные десятилетия. Подтверждением такого пессимистического прогноза служит «озонная дыра» над Антарктикой — первый ярко выраженный результат загрязнения стратосферы враждебными озону продуктами.
Остается надеяться, что здравый смысл возобладает над индустриальным азартом и человечеству удастся в самое ближайшее время резко снизить выброс в воздушный океан нашей планеты вредных для жизни озона веществ, и прежде всего фреонов. От того, как быстро и решительно это произойдет, и будет зависеть окончательный ответ на наш вопрос, весьма важный для всех людей на Земле.
За год, прошедший после подготовки рукописи этой книги, появились новые сведения как о самом озонном слое, так и о международных мероприятиях, направленных на его защиту.
Широко опубликованы результаты международного эксперимента по изучению слоя озона в Арктике в январе—феврале 1989 г. В рамках этого эксперимента было проведено 14 полетов специально оборудованных самолетов по различным трассам внутри полярной зоны. Самолетные измерения сопровождались наблюдениями с Земли и со спутников.
Результаты эксперимента позволили полнее понять природу явления «озонной дыры» в Антарктике и причину отсутствия подобного феномена в Арктике. Были подтверждены и уточнены отдельные звенья цепочки процессов, приводящих к образованию антарктической «озонной дыры».
Так, на материале указанных наблюдений в Арктике подтвержден вывод о решающей роли температуры в образовании частиц стратосферных облаков, аккумулирующих азотные соединения (NO2 и HNO3). В тех редких случаях, когда температура падала ниже точки образования таких частиц (в Антарктике в целом холоднее и температура стратосферы практически всю зиму ниже этой точки), наблюдалось образование облаков и уменьшение концентрации активных азотных соединений.
На тех высотах и в те периоды времени, когда это происходило, наблюдалось и уменьшение концентрации озона.
В целом, однако, в силу того, что арктическая стратосфера большую часть зимы была теплее, чем необходимо для образования облаков и накопления на них азотных соединений, внутри арктического вихря (который, как мы уже отмечали, гораздо менее стабилен, чем антарктический), не наблюдалось уменьшения концентрации этих соединений, что типично для антарктического вихря.
По имеющимся на данный момент (ноябрь 1990 г.) сведениям «дыра» антарктической весной этого года по интенсивности не уступала явлению весной 1987 г., а по территории (площади внутри заданных изолиний N (О3)) даже несколько превосходила ее. Это согласуется с описанной в книге концепцией КДК — ветер в экваториальной стратосфере дул с запада, что должно быть благоприятно для развития «дыры».
В конце июня 1990 г. в Лондоне состоялась «плановая» конференция представителей стран-участников Монреальского протокола. В решениях многих упомянутых в книге научных собраний последних лет указывалось, что ограничения на производство и выбросы в атмосферу наиболее озоноопасных фреонов, введенные Монреальским протоколом 1987 г., недостаточны, поскольку при их выполнении содержание в стратосфере соединений хлора, каталитически разрушающих озон, в XXI в. будет возрастать, хотя и с меньшей скоростью, чем теперь. Поэтому в решениях Лондонской конференции (которые должны теперь быть ратифицированы странами-участницами Протокола) ограничения на производство и использование озоноразрушающих галогенуглеводородных соединений усилены и распространены на большее число газов.
После 2000 г. производство и использование всех фреонов с высокой озоноразрушающей способностью должны быть прекращены полностью. Исключение сделано для метилхлороформа (CH3CCl3), который относительно слабо активен в разрушении озона. Производство и использование CH3CCl3 (значительное в настоящее время) должно прекратиться в 2005 г.
По Монреальскому протоколу 1987 г. после 1997 г. предусматривалось лишь 50%-ное сокращение производства и использования озоноопасных фреонов. В Лондоне намечено снижение в 1995 и 1997 гг. производства хлор- и бромсодержащих газов до 50 и 15 % соответственно от уровня 1986 г., причем для развивающихся стран разрешается некоторое превышение этих норм, но не более чем на 10 %.
Образован специальный фонд (материальный и технологический) для помощи развивающимся странам по введению указанных сокращений по переходу на химическую технологию, не использующую озоноопасные фреоны.
Эти решения Лондонской конференции отразили растущую озабоченность человечества состоянием нашей планеты; они служат хорошим примером действенных мер, направленных к охране озонного слоя и атмосферы Земли в целом.
Источник: А.Д. Данилов, И.Л. Кароль. Атмосферный озон — сенсации и реальность. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991